HIERRO Y ACERO

• ORIGEN• EVOLUCIÓN• PROPIEDADES• ESTRUCTURA METALOGRAFICA

Ing. José Luís Fuchinecco

Los Metales en la Naturaleza

EN ESTADO PURO Metales Nobles: Oro – Plata – Platino Ocasionalmente: Cobre

COMO OXIDOS

Cobre (Tf: 1083Cº) 6000 AC (Malaquita) Bronce: Cu + 5% Sn + AsEstaño (Tf: 240 ºC) (Tf: 880 -920 ºC) 3300 - 1200 AC

Hierro (Tf: 1535 ºC) 2000 AC (Asia) Agente Reductor - Escoria de Cu Fuego: 1000 a 1100 ºC (Soplando: 1200 °C) 100 kg de carbón para fundir 5 kg de Cobre

HIERRO METEÓRICO

• Armas y herramientas de hierro “proveniente del cielo” (sky metal)

por martillado en frío

• En Sumeria y Egipto (dagas y piezas chicas)

• En Groenlandia:

Meteorito de 30 ton (Museo de Ciencias

Naturales de Nueva York)

Horno de Haya

Tanzania, Africa

200 AC

(Investigado por

Peter Schmidt, 1996/97)

Fuente

Archaeological theory

and scientific practice

Andrew Jones

IRON BLOOM

IRON BLOOM (Eisenblüte)

• Temp. 1200 °C Hierro Sólido (600 AD)

• Mezcla de partículas finas de:

Hierro + Öxido de Hierro + Escoria + Carbón

• Reducción en estado sólido

• C difunde desde afuera

• Forjado a 800 °C

(Wrought Iron)

- Suelda el hierro

- Rompe inclusiones

IGUAL PERO DISTINTO

• A temperaturas por encima de 800 °C: Se vuelve a oxidar y se “quema”.

• Mucho tiempo de reducción: El C difunde en exceso y se obtiene Fundición: 3 a 4 % C. PF: 1130 °C y se obtiene líquida (puede colarse) pero es frágil (no apto para armas!)

• Acero: Estructura bcc (ferrita), con bajo S y P• Wrought – Forjado: +/- 0,1 % • 0,7 a 0,9 % Muy bueno….. Para espadas!!!• + de 2 %: Espantoso, lógicamente para espadas.

WOOTZ de DamascoDe India (Tortas Fe) a Siria(Espadas Forjadas)Fe+1,5%C+0,03%V y Mo (También Cr,Mn y Nb)

Finas partículas de Fe3Ccementita esferoidales en Matriz ferritica (EnfriamientoLento) llamada DETDivorced eutectoid transformation

B. Zschokke, "Du Damasse et des Lames de Damas” S.XVIIIRev. Met., 21 (1924)

Cl3Fe

El fósforo favorece la formación de ferrita Alotriomorfa Interdendrítica y la estructura en bandas al alinearse durante el forjado.

Sorelmetal   

Wootzs: Acero de Crisol• Crisol (Crucible) de arcilla; cerrado con:• Hierro• Carbón, Madera y hojas (forma H: favorece carburización)• Vidrio (forma escoria, evita oxidación)• Enfriamiento lento (dendritas groseras y cementita

esferoidal en borde de grano austenítico)• Tortas (lingotes) de 2,3 kg ( Diam 10 cm x 5 cm)• Forjado 50 a 100 veces se rompen carburos• Con +0,03% P se forma Steadita. Da fragilidad en caliente.

Tortas de Wootz

Forjado

Terminado

Diseños

Microestructura de la Perlita

Microstructura de la perlita de un acero tipo SAE 1080 formada a partir de austenita de composición eutectoide. En esta estructura laminar las zonas claras son de ferrita y las más oscuras de cementita.

Acero con Microestructura Eutectoide

Microestructura de un acero eutectoide.

La esferoidita se forma por calentamiento del acero a 700 °C y enfriamiento lento.Matriz ferrítica con carburo de hierro esferoidal.Magnificación: 1000X.

CRONOLOGÍA

• 1400 AC: Tumba de Tutankamon• 1200 – 1000 AC: Primeras Armas (Dagas)• 700 AC: Aparición en mayor cantidad (Asiria)• 500 AC: La tecnología del hierro pasa de la Cultura

Hallstatt (Europa Central) a Britania.• S XVI: Alto Horno (5,5 m altura)• S XVIII: Uso de Coque metalúrgico (1713)• 1783: Peter Unions patenta el 1er horno de Pudelado

(Fusión oxidante de la fundición)

Horno de Pudelado

Fundiciones

Diagrama Fe-C

Per

lita

Fe + 0,05 % C – Ferrita Recrist.c/ Inpurezas 200x

SIGLO XIX

• 1814: Gases de Alto Horno como cementante y energía.• 1830: Precalentamiento de aire en Altos Hornos (llegan a

20 m altura)• 1856: Métodos de Bessemer y Thomas (Básico) (ambos

insuflan aire dentro de fundición líquida)• 1864: Siemens - Martin: Fundición + chatarra.• 1949: Proceso L-D (Linz-Donawitz) en Austria. Básico con

soplado de oxigeno superior.

Horno Siemens - Martin

Proceso Bessemer

• Etapa de las Chispas: Combustión de Mn y Si. De 5 a 10 min.

• De las Llamas: Combustión de C (llama blanca). Termina con humos amarillo por FeO. 15 min.

• De los Humos: Humos rojas y espesos con FeO y Mn. 2 min.

• Agregado de Ferromanganeso (Desoxidante)• Revestimiento Acido: Para material sin P.• Thomas: Revest. Básico (Dolomita: CO3Ca y CO3Mg)

para eliminar P, que da fragilidad.

Austenita, Ferrita, y martensita

Celdas unitarias para (a) austenita, (b) ferrita, y (c) martensita. En d se muestra el efecto del porcentaje de carbono ( en peso sobre las dimensiones de la celda de martensita ). Nótese la posición intersticial de los átomos de carbono . Nótese,también, el incremento en las dimensiones de c con el contenido de carbono; esto causa que la celda de martensita tenga la forma de un prisma rectangular

Diagrama Hierro-Carbono Estable

Diagrama de fases del sistema hierro-carbono con grafito (en lugar de cementita) como fase estable.

Tem

pera

tura

ºC

Tem

pera

tura

ºF

Grafito (% en peso)

Líquido

Líquido + Grafito

γ + Grafito

(austenita)

γγ + líquido

α + Grafitoα (ferrita)

Aleaciones Hierro-Carbono por encima y por debajo de la temperatura eutectoide

Ilustración esquemática de las microestructuras de la aleación hierro carbono de composición eutectoide (0.77% C), por encima y por debajo de la temperatura eutectoide 727 °C (1341 °F).

Tem

pera

tura

ºC

Tem

pera

tura

ºF

Ferrita

Cementita

Eut

ecto

ide

Per

lita

Carbono (% en peso)

0,77

727 ºC

Austenita (Hierro Gama)Diagrama Fe-C Metaestable (Fe-Cementita)

Transformación de Austenita a Perlita

(a) Transformacion de una aleación hierro carbono de austenita a perlita como función del tiempo y la temperatura

(b) Diagrama de transformacion isotérmica obtenido de (a) para una temperatura de transformacion de 675 °C (Diagrama “S” o “TTT” :Temperatura-Tiempo-Transformación)

600 ºC

ºC

Tem

pera

tura

ºC

Tem

pera

tura

ºF

Tiempo (seg)

Porc

enta

je d

e A

uste

nita

Tra

nsfo

rmad

a a

Perl

itaPe

rlita

%

Microstructuras de fundiciones de Hierro

(a) (b) (c)

Microestructuras. (a) Micorestructura de fundición gris con láminas de grafito. (b) Fundición nodular ferrítica (fundición nodular), con grafito en forma de nódulos. (c) Fundición maleable ferrítica; esta fundición solidificó como blanca, con el carbono presente como cementita y se trató térmicamente para grafitizarla.

(c) Microestructuras obtenidas para un acero eutectoide en función de la velocidad de enfriamiento.

Dureza y tenacidad de los aceros recocidos

(a) y (b) Dureza (c) Tenacidad de aceros al carbono recodidos , como funcion de la forma de los carburos. Los carbuoros en la perlita son laminares . La perlita fina se obtinene aumentando la velocidad de enfriamiento . La esferoidita tiene carburos con formas de tipo esferico. Nótese que el porcentaje de perlita decrece para contenidos de carbono de más de 0,77%. L. H. Van Vlack; Materials for Engineering. Addison-Wesley Publishing Co., Inc., 1982.

Dureza Dureza Tenacidad

Propiedades Mecánicas de los Aceros Recocidos

Propiedades mecánicas de los aceros recocidos com función de la composción y la microestructura. Nótese (en (a)) el incremento de dureza y resistencia y (en (b)) la disminución de ductilidad y tenacidad, con el aumento de perlita y carburos de hierro.

L. H. Van Vlack; Materials for Engineering. Addison-Wesley Publishing Co., Inc., 1982.

Martensita

(b)

(a) Dureza de la martensita, como función del contenido de carbono.(b) Micrografia de la martensita con 0.8% de carbono. Las placas grises son de martensita; y tienen la

misma composición que la austenita original ( regiones blancas ). Magnificacion: 1000X.

Dureza de la Martensita Revenida

Dureza de la martensita revenida como función del tiempo y de la temperatura de revenido, para un acero SAE 1080 (0,8 %C) templado hasta 65 HRC.La dureza disminuye porque las partículas de carburos coalescen y crecen en tamaño, lo que trae como consecuencia el incremento de la distancia entre particulas, espacio en el que se ubica la ferrita, que es más blanda.

HRC: Dureza “Rockwell C”

Induction Heating

Figure 4.26 Types of coils used in induction heating of various surfaces of parts.

Eutectoid decomposition

Steel: 0.81C-0.07Si-0.65Mn (wt%), Austenitized at 860°C, Transformed at 705°C:

t=150 sec t=300 sec t=600 sec

t=800 sec t=2000 sec t=2000 sec

20 m

Eutectoid decomposition

Steel: 0.81C-0.07Si-0.65Mn (wt%), Austenitized at 860°C:

650°C t=0.5 sec 650°C t=0.7 sec

550°C t=10 sec 550°C t=70 sec

650°C t=20 sec

Eutectoid decomposition

Steel: 0.81C-0.07Si-0.65Mn (wt%), Austenitized at 860°C, Transformed at 500°C:

t=0.5 sec

t=2 sec

Around the “knee” of the TTT curve, we see both pearlite and upper bainite.

Summary of eutectoid decomposition

Proeutectoid ferrite

t=20 sec t=120 sec (2 min) t=1200 sec (20 min)

t=3600 sec (1 hr) t=7200 sec (2 hr)

Steel: 0.55wt%C, Austenitized at 860°C, Transformed at 705°C:

Here we see typical grain boundary nucleation of ferrite, which thickens and grows as grain boundary allotriomorphs, followed by decomposition of austenite to pearlite, as indicated by the TTT diagram to the right.

Proeutectoid ferrite

Steel: 0.55wt%C, Austenitized at 860°C:

650°C t=150 sec 550°C t=15 sec

500°C t=5 sec

705°C t=7200 sec

Below the A1, the amount of proeutectoid decreases with decreasing isothermal hold temperature. Notice the dramatic increase in transformation rate.

Proeutectoid ferrite

650°C t=150 sec

Steel: 0.55wt%C, Austenitized at 730°C (partial)

650°C

500°C 550°C

Water quenched 650°C

500°C

Water quenched

Normal Grain Size Large Grain Size

For small austenite grains, ferrite “nucleates” and grows on the undissolved ferrite, rather than nucleating new GBAs, resulting in an irregular structure. For large austenite grains, new GBAs are nucleated.

For the large grain size, the ferrite forms an almost continuous network.

10 m 40 m

Proeutectoid ferrite

650°C 705°C

0.15 wt% C

0.25 wt% C

0.4 wt% C

0.6 wt% C

The amount of ferrite formed decreases with increasing carbon content.

The ferrite morphology also changes with carbon content.

Proeutectoid ferrite

0.25 wt% C, Austenitized at 1150°C

Transformed isothermally at 600°C.

Transformed at 5°C/min.

Pearlite and Bainite

675°C 625°C

600°C 500°C

0.25 wt% C

Undissolved ferrite and degenerate cementite ferrite

Austenitized just above the A1 Austenitized just below the A3

Large amounts of undissolved ferrite affect the subsequent decomposition.

Small amounts of undissolved ferrite have little effect on subsequent decomposition.

En enfriamientos lentos o a altas temperaturas , la formación de perlita eutectoide ocurre cuando la austenita remanente tiene la composición eutectoide. Sin embargo, cuando la transformación isotérmica ocurre a temperaturas más bajas, la cantidad de ferrita proeutectoide se reduce, y por lo tanto, menos exceso de carbono va a pasar a la austenita remanente luego de la formación de la ferrita. En este caso la austenita remanete no se enriquece suficientemente en carbono para alcanzar la composición para la formación de perlita. Por lo tanto la morfología de la perlita en los aceros hipoeutectoides puede ser mas variable o despareja respecto de su morfología clásica. Como ejemplo se ve un acero de 0,65 de carbono que exhibe una perlita con algunas zonas de apariencia laminar con otras regiones con placas y partículas globulares de cementita.

Acero 0.6% C (0.61C-0.08Si-0.60Mn) austenitizado a 860 °C y Isotermicamente transformeda a 705 °C for 17 h. 185 HV. Ataque Picral.

En aceros de bajo carbono con contenidos bajos de manganeso carbono se ha observado mayor tendencia a la no laminaridad de la perlita cuando la transformación de la austenita se hace cerca de A1 después de haber sido austenizado para lograr un tamaño de grano chico