1.1.3. Diagrames Fe-C

ja que hi precipita primer i això fa que s’empobrisca aquest element a mesura que s’aproxima a la vora de gra. Aquest fenomen s’anomena segregació i pot donar lloc a problemes seriosos, ja que entre el nucli del gra i la vora de gra, pot haver-hi diferències molt significatives entre els punts de fusió i pot donar lloc a una fase fosa en el límit de gra, que ocasiona la falta de cohesió en el material i, en conseqüència, pot donar lloc a la fallada de la peça. En la figura 11 es mostra una comparativa entre solidificació en equilibri i no equilibri, on es pot observar la pèrdua d’homogeneïtat dels grànuls solidificats en condicions de no equilibri i, per tant, la minva de propietats mecàniques, enfront de la corrosió, etc.

Figura 11. Diagrama de fases de Ni. Comparativa entre solidificació en equilibri i no equilibri. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

1.1.3. Diagrames Fe-C

El diagrama de fases binari Fe-C és, potser, el més important per a la indústria, degut a les propietats dels acers, determinades per aquest diagrama d’equilibri, que ha permès en gran mesura el desenvolupament tecnològic de la humanitat i que es troba representat en la figura 12.

Figura 12. Diagrama de fases Fe-C. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

En realitat, excepte casos puntuals, pràcticament cap acer porta més del 2 % en pes de carboni, per tres motius fonamentalment:

Un alt contingut en carboni fa més fràgil i torna trencadís l’acer. En augmentar el carboni s’augmenta la susceptibilitat a la corrosió. Els acers amb un alt contingut en carboni són problemàtics a l’hora de soldarlos, a causa de la precipitació de carburs durant la soldadura que comprometen les propietats del material.

Les fases existents en el diagrama Fe-C i que donen lloc a l’ampli ventall d’aliatges possibles són les següents: Fe α, ferrita α o simplement ferrita. És la fase de baixa temperatura i pre-i.

ii. senta una estructura cúbica centrada en el cos (bcc). És ferromagnètica per sota dels 768 °C i és una fase dúctil i tova. Fe γ o austenita, és estable des dels 727 °C fins als 1495 °C, segons la composició, la seua estructura és cúbica centrada en les cares (fcc). És una fase molt dúctil i tenaç. Així mateix, no és magnètica a cap temperatura, ja que els seus moments magnètics s’anul·len entre ells.

iv.

v. El compost intermetàl·lic Fe3C s’anomena cementita. La seua composició presenta un 6,67 % en pes de carboni. De fet, els diagrames que es fan servir en la pràctica són Fe-Fe3C, encara que per convenció l’eix d’abscisses segueix marcant la composició en tant per cent de C. La seua estructura cristal·lina és ortoròmbica i és la responsable de l’elevada duresa dels acers, així com de la seua fragilitat. La presència de silici en l’aliatge afavoreix la transformació de cementita en Fe i grafit. La fase de més alta temperatura en el diagrama Fe-C és el ferro o ferrita δ, que posseeix estructura cúbica centrada en el cos (bcc). No té rellevància en la pràctica. Una diferència fonamental entre les estructures ferrítiques i les austenítiques és la capacitat d’incorporar carboni en la seua estructura. Segons podem observar en la figura 9, la ferrita accepta fins a un 0,022 % en pes de carboni. D’altra banda, l’austenita és capaç d’albergar-ne fins a un 2,11 %, que equival aproximadament, a cent vegades més carboni. Aquesta és la raó per la qual en refredar l’austenita per sota de 727 °C es transforma en ferrita i cementita com a fase rica en carboni. Des del punt de vista estructural, és fàcil d’observar que la xarxa tipus bcc, disposa de menys llocs per allotjar soluts intersticials com el carboni que una estructura tipus fcc. La ferrita δ és capaç d’albergar un poc més de carboni que la seua homòloga α (0,10 % per 0,022 % en pes de carboni), a causa de l’efecte de la temperatura. En la figura 13 es mostren les microestructures de les diferents fases de l’acer.

Figura 13. Micrografies òptiques de (a) estructura del Fe- α (90 augments); (b) estructura del Fe- γ (325 augments) . Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Com es pot observar, l’austenita presenta grans molt angulosos, amb gran presència de plans macla, ja que en l’estructura del tipus fcc es donen amb facilitat. La ferrita presenta grans equiaxials típics d’un refredament lent.

Les reaccions invariants del diagrama Fe-C originen microestructures ben definides, característiques i amb unes propietats determinades. Podem distingir:

• La reacció eutèctica que ocorre a 1148 °C i amb una composició de 4,3 % en pes de carboni. La reacció és líquid per donar dos sòlids, austenita i cementita.

L ⇋ Fe- γ + Fe3C Eq. (8)

• La reacció peritèctica es dona a 1495 °C i amb 0,8 % en pes de carboni. La reacció és líquid i Fe- per donar austenita.

L + Fe- δ ⇋ Fe- γ Eq. (9)

• Finalment, i potser sent la reacció més important del diagrama de composició, cal mencionar la reacció eutectoide, a partir de la qual, l’austenita es desproporciona per donar ferrita i cementita. A l’estructura eutectoide que en resulta se l’anomena perlita, ja que al microscopi a pocs augments, una vegada revelada amb els reactius adequats, té l’aparença de la mareperla.

Fe-δ ⇋ Fe-γ + Fe3C Eq. (10)

Hi ha tres estructures bàsiques en els acers, que a continuació es descriuran, en funció de la regió del diagrama de fases on es desenvolupen. El refredament es porta a terme lentament i, per això, ocorre en condicions d’equilibri. És important destacar que la presència d’aliatges modifica en gran manera les estructures resultants, per la qual cosa es tractaran en aquest punt només acers al carboni, sense la presència d’elements d’addició.

1.1.3.1. Estructura eutectoide

Es tracta d’un acer de composició eutectoide, és a dir, amb un contingut en carboni de 0,77 % en pes (fig.14). Es parteix del punt a, d’estructura completament austenítica. En refredar-se i traspassar el punt eutectoide (727 °C), s’hi dona immediatament la transformació d’austenita a perlita (Fe α + Fe3C). La ferrita no és capaç d’albergar tant carboni raó per la qual segrega la fase cementita, en el si d’aquesta. La segregació de la Fe3C no passa de forma arbitrària, comença a les vores de gra, ja que són les zones més enèrgiques del sòlid i on el moviment i difusió atòmica aquesta estan afavorides dins del sòlid. La transformació eutectoide ocorre de la vora de gra cap a l’interior, és a dir la distància més curta que poden recórrer els àtoms de carboni en l’estructura, i és aquesta la raó per la qual es difonen i formen l’estructura laminar típica eutectoide (molt similar a l’estructura

eutèctica). En la figura 14 es mostra el procés de refredament i formació de l’estructura resultant. Si es continua refredant en equilibri, l’estructura no pateix canvis més grans. L’estructura eutectoide es pot descriure com una matriu de ferrita en la qual es distingeixen capes de cementita.

Figura 14. Diagrama del refredament en equilibri d’un acer de composició 0,77 % en C (a) i esquema del procés de formació de perlita (b). Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Els grans de perlita en l’estructura es denominen colònies i en essència es tracta de plaques perlítiques que segueixen la mateixa orientació. En la figura 15, es mostra una micrografia d’un acer perlític.

Figura 15. Micrografia òptica a 500 augments d’un acer al carboni perlític. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Després de l’atac químic de revelatge, la fase clara mostrada en la figura 15 pertany a la ferrita i la fase fosca a la cementita. Els acers perlítics presenten bones propietats mecàniques, que combinen la duresa de la cementita i la tenacitat de la ferrita. Per calcular les fases presents a la regió eutectoide, només cal aplicar la regla de la palanca, a la composició i temperatura desitjada, per determinarne la composició que es fa per lectura directa a la intersecció fase-temperatura composició.

1.1.3.2. Estructura hipoeutectoide

Són acers que presenten un contingut en carboni inferior a 0,76 % en pes i superior a 0,022 %, partint del punt c, mostrat en la figura 16, que correspon a la regió monofàsica de Fe γ. Si es refreda l’aliatge, no es produeixen canvis de rellevància en la microestructura fins a arribar a la zona bifàsica. En aquest moment, comença a precipitar ferrita, que com precipita abans de la temperatura eutèctica, s’anomena ferrita proeutectoide i es localitza a les vores de gra austenítics (punt d, fig. 16).

Figura 16. Diagrama del refredament en equilibri d’un acer de composició 0,50 % en C. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

En refredar-se, els grans de ferrita proeutectoide van creixent contínuament fins a arribar a la temperatura eutectoide, on els grans aconsegueixen la seua grandària màxima. La composició vindrà determinada per la corresponent línia de repartiment. Un cop sobrepassada la temperatura eutectoide, l’austenita romanent es transforma i origina la perlita (punt f, fig. 16). Mentre continua refredant-se no es hi ha canvis estructurals dignes de menció.

L’estructura resultant és una estructura mixta ferriticoperlítica. En la figura 17, es poden apreciar les colònies perlítiques amb l’estructura laminar de l’eutectoide (fase fosca) composta de ferrita i cementita, envoltades de la ferrita proeutectoide formada amb anterioritat (fase clara). És una estructura altament tenaç, més dúctil que l’estructura enterament perlítica.

Figura 17. Micrografia òptica a 635 augments d’un acer ferriticoperlític i composició carboni 0,38 % en pes. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

1.1.3.3. Estructura hipereutectoide

Són acers de composició superior al punt eutectoide, és a dir, superior al 0,76 % en pes, fins a un contingut en carboni marcat pel límit de la regió monofàsica d’austenita, és a dir, el 2,11 % en pes d’aquest element. En la figura 18, es mostra la solidificació d’un acer hipereutectoide amb un contingut de carboni d’1,40 % en pes. El procés de refredament i formació de les fases és similar a l’indicat en els apartats anteriors.

La solidificació comença en el punt g. No es produeixen canvis d’importància en l’aliatge fins a sobrepassar la frontera de la regió bifàsica, en què comencen a precipitar petits nuclis de cementita a les vores de gra, punt h. Els grans creixen i arriben a vorejar els grans d’austenita, tot just abans de la temperatura eutectoide. En traspassar la temperatura eutectoide, es produeix aquesta reacció invariant, un fet que fa que reaccione tota l’austenita romanent i que done lloc a perlita, punt i. La proporció relativa de fases es fa mitjançant l’aplicació de la regla de la palanca, traçant la recta de repartiment a la temperatura requerida. La seua composició es determina mitjançant la lectura directa en el diagrama en la intersecció de la recta de repartiment amb la corresponent frontera de fase. En la figura 19 es mostra la micrografia de l’estructura resultant, en la qual es pot apreciar com les colònies de perlita (fase fosca) es troben envoltades de cementita proeutectoide (fase clara).

Figura 18. Diagrama del refredament en equilibri d’un acer de composició 1,40 % en C. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Figura 19. Micrografia òptica a 1000 augments d’un acer hipereutectoide amb un contingut en carboni de 1,40 % en pes. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Dels acers que hem exposat fins a aquest moment, els de composició hipereutectoide són els més durs i, en conseqüència, fràgils, a causa de l’alt contingut en carboni i la formació dels rius de cementita a les vores de les colònies perlítiques.

1.1.3.4. Influència dels aliants

Les estructures explicades fins ara són la base de la tecnologia siderúrgica i les seues aplicacions. Cal esmentar que la presència d’aliants trastoca i modifica àmpliament les propietats de l’acer, així com el diagrama de fases de ferro carboni. En la figura 20, es mostra la variació de la temperatura eutectoide i la seua composició en presència dels aliants més comuns.

Figura 20. Influència de (a) temperatura eutectoide i (b) composició eutectoide en funció de diversos aliants. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Es distingeixen dos tipus d’aliants principalment, els que augmenten la temperatura eutèctica, denominats alfàgens per estabilitzar la fase ferrítica (Fe α), i els que la disminueixen o gammàgens per estabilitzar la fase austenítica (Fe γ). Una altra consideració important és que la rapidesa del refredament de l’acer és fonamental per a les seues propietats. Fins ara només hem tractat estructures resultants de refredaments lents, és a dir, en condicions d’equilibri. El refredament ràpid o temperat introduirà importants canvis en l’estructura, ja que una de les fases més importants de l’acer no s’aconsegueix mitjançant un refredament en condicions d’equilibri.