Los aceros son las aleaciones con mayor aplicación industrial por lo tanto es necesario conocer y comprender algunos fundamentos de metalurgia básica. Por definición los aceros son una mezcla de hierro y carbono en diferentes proporciones comúnmente establecida entre especificaciones técnicas del 0.02% y el 2,06% de peso en carbono. Dependiendo de la bibliografía consultada la composición mínima en carbono puede establecerse en 0.008%C y la máxima en 2, 2.1% o incluso 2.11%C .
Los aceros poseen dos características esenciales que provocan que pueda existir una amplia gama de propiedades y comportamientos posibles:
- El elemento hierro al ser calentado y enfriado a determinadas temperaturas, sufren cambios de estructura cristalina y microestructura. Estos cambios hacen que los aceros puedan ser tratados térmicamente y así obtener gran variedad de propiedades.
- Los cambios de composición química del carbono y los elementos de aleación causan en los aceros grandes cambios en las propiedades físicas, químicas y mecánicas.
Estructura cristalina y Microestructura:
En metalurgia la ciencia de materiales es una disciplina que se encarga de estudiar cómo están constituidos los materiales a escalas nano, micro y macro), ademas de sus propiedades físicas, mecánicas y químicas resultantes (Conductividad eléctrica, resistencia, tenacidad, dureza, resistencia a la corrosión, etc.). Para el estudio de los materiales, sin abordar temas demasiado complejos entenderemos los siguientes términos básicos para entender la estructura de los materiales:
- Microestructura: Los materiales metálicos en su mayoría están formados por varios conjuntos de cristales de ahí se deriva el nombre de materiales policristalinos. Cuando son materiales puros o son aleaciones solubles entre si presentan una sola fase homogénea. Contrariamente las aleaciones que no son solubles entre si presentan fases o cristales de diferentes características que son observables por microscopia óptica.
- Estructura cristalina: Se refiere al apilamiento o agrupamiento de los átomos de forma ordenada cuando el material está en estado sólido.
- Celda unitaria: Se define como la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal, en la imagen cada arista de la celda unitaria representa el centro de un átomo.
- Estructura atómica: Se estudia cómo están formados los átomos que forman a los materiales (Protones, neutrones, electrones) y sus propiedades físicas que caracterizan a los elementos de aparecen en la tabla periódica.
Estructura cristalina de los metales
Existen siete arreglos únicos, llamados sistemas cristalinos, que llenan un espacio tridimensional. Son los sistemas cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrico, hexagonal, monoclínico y triclínico. Aunque existen estos sistemas cristalinos, hay un total de 14 arreglos distintos de punto de red. Son arreglos únicos llamados que se llaman redes de Bravais, en honor del francés Auguste Bravais (1811-1863), uno de los primeros científicos cristalográficos.
Observe que el concepto de red es matemático y que no se mencionan átomos, iones o moléculas. Solo cuando se toma una red de Bravais y se comienza a definir la base, es decir, los átomos asociados con cada punto de red se puede describir como estructura cristalina. Las siguientes imágenes ejemplifican los principales arreglos cristalinos de diferentes átomos metálicos:
Formas alotrópicas del hierro:
Para tener un mejor entendimiento y dominio de los tratamientos térmicos del acero es necesario entender y conocer los cambios en la estructura del hierro en función de la temperatura y de los elementos de aleación que lo conforman.
Por definición alotropía se refiere a que un elemento puede presentar diferentes estructuras cristalinas a diferentes condiciones como presión y/o temperatura. Existen otros términos como polimorfismo que se usa para compuestos como por ejemplo: SiO2, ZrO2, etc. La característica alotrópica del hierro es aprovechada en los tratamientos térmicos para modificar las propiedades mecánicas de resistencia y dureza de los aceros.
- HIERRO DELTA (δ) (De 1536°C hasta 1390°C):
El hierro puro solidifica a una temperatura de 1536°C y los átomos de hierro se apilan ordenadamente mediante mecanismos de nucleación y crecimiento. Durante la solidificación el hierro solidifica con una estructura BCC (Cúbica centrada en el cuerpo, por sus siglas en ingles) y denominada también como Ferrita de Alta Temperatura y se mantiene hasta los 1390°C.
NOTA IMPORTANTE: Existe bibliografía técnica que omite el hierro delta en los diagramas de fase Fe-C debido a que no existen procesos de fabricación que utilicen esta estructura cristalina.
- HIERRO GAMMA (γ) (De 1390°C hasta 910°C):
El cambio alotrópico comienza a los 1390°C la estructura cristalina formada se denomina FCC (Cúbica centrada en las caras, por sus siglas en ingles) y se mantiene hasta 910°C. A esta estructura FCC igualmente se le conoce con el nombre de Austenita.
- HIERRO ALFA (α) (De 910°C hasta temperatura ambiente)
El hierro alfa se presenta a 910°C y se mantiene hasta temperatura ambiente. Nuevamente la estructura cristalina cambia a una forma BCC y se le denomina Ferrita de Baja Temperatura.
