DIAGRAMA DE HIERRO – CARBONO

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
Facultad de Ingeniería
Escuela de Mecánica
Metalurgia y Metalografía
Ing. Hugo Ramírez
DIAGRAMA DE HIERRO – CARBONO
AMED LÓPEZ
GILMER CHALÍ
HELMAN GARCÍA
IRWIN HERRERA
LAKSHMANA RODRIGUEZ
Guatemala, 18 de mayo de 2012
1
Diagrama de Hierro – Carbono
Introducción
Los
aceros
son
aleaciones
hierro-carbono
y
constituyen
la
familia
industrialmente más importante de todas las aleaciones metálicas debido a su
versatilidad y propiedades mecánicas únicas. La mayoría de las aleaciones de
hierro derivan del diagrama Fe-C que puede ser modificado por distintos
elementos de aleación.
Formas alotrópicas del hierro
Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una
distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono.
Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la
estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de
hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe amagnético.
Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la
distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su
máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia
industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.
Según el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede
clasificarse en:

Fundiciones %C≥1.76%

Aceros %C ≤1.76%.
El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones Fe-C:

En solución intersticial.

Como carburo de hierro.

Como carbono libre o grafito.
2
Figura 1. Diagrama Hierro-Carbono.
Fases presentes:

α: (Ferrita): Es una solución sólida de carbono con una solubilidad a
temperatura ambiente muy pequeña. Es la fase más blanda y dúctil de los
aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers y
una resistencia a la rotura de 28 Kg. /mm2, llegando a un alargamiento del
35 al 40%. Presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, suele
3
contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio
aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que
la austenita.

γ: (Austenita). Es la fase más densa de los aceros. Está formado por la
solución sólida por inserción de carbono. La proporción de carbono disuelto
varía desde el 0% al 1.76%, correspondiendo este último al porcentaje de
máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita comienza a
formarse a la temperatura de 723ºC. Posee una estructura cristalina FCC,
una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg. /mm2y un
alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.

δ: Hierro delta

Cem: (Cementita- Carburo de Hierro) Es carburo de hierro y por tanto su
composición es de 6.67% de C. Es la fase más dura y frágil de los aceros,
alcanzando
una
dureza
de
960
Vickers.
Cristaliza
formando
un
paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC,
temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.

Grafito

Perlita Es la fase formada por el enfriamiento lento de la austenita. Tiene
una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura
de 80 Kg. /mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está
formado por láminas de cementita y ferrita.

Led: (Ledeburita)
TRANSFORMACIONES DEL DIAGRAMA HIERRO – CARBONO
Reacción Eutéctica.
La reacción eutéctica constituye la transformación de solidificación completa
del líquido. Este tipo de reacción corresponde a un punto fijo en el diagrama
4
de fases, es decir, ocurre a una temperatura y composición determinada, y
dicho punto posee cero grados de libertad (ver Regla de las fases de Gibbs). A
partir de una muestra sólida, a cualquier composición distinta de la eutéctica,
la muestra no fundirá completamente independientemente de la temperatura
a la que nos encontremos. En el caso particular de la aleación Pb-Sn, podemos
ver en la figura que dicho punto eutéctico ocurre para una temperatura
T=183ºC y para una composición del sistema de 61.9% de Sn.
Evolución de la microestructura a la composición eutéctica, con la
temperatura
Asimismo, podemos observar que la microestrucrura que proviene de la
reacción
eutéctica
es
muy
característica.
Consiste
en
una
estructura laminada en la que los dos componentes de la aleación A puro
y B puro, se disponen en capas alternadas.
En este tipo de reacción incluso durante el enfriamiento lento de la
muestra con composición eutéctica a la temperatura eutéctica, el sistema
debe transformarse desde el estado líquido al estado sólido con relativa
rapidez. La limitación existente en el tiempo disponible para la
5
transformación evita una difusión significativa. La segregación de los
átomos de A y B (que se encontraban mezclados de forma aleatoria en el
estado líquido) en fases sólidas distintas debe llevarse a cabo, por
consiguiente, a corta escala. Aparecerán en general distintas morfologías
para los distintos sistemas eutécticos, pero siempre que sean estables, por
lo general, tendrán tamaño de grano fino.
Microfotografía de la estructura resultante de la transformación eutéctica
La siguientes microfotografías fueron obtenidas en el laboratorio por alumnos de
prácticas:
Ambas fotográfias pertenecen al punto eutéctico de la aleación Pb-Sn ( 33% de
Sn
6
Reacción Peritéctica (Págs. 201 – 206 Cap.6)
Reacción Monotéctica (Págs. 206 – 210 Cap. 6)
Reacción Eutectoide (Págs. 216 – 218 Cap. 6)
Reacción Peritectoide (Págs. 218 – 221 Cap. 6)
ACEROS
Aceros eutectoides
Presentan una fase austenítica sólida a un composición de 0.89% C con granos
orientados al azar. Al enfriar se desarrollan las fases ferrita y cementita en
láminas, formando una microestructura única llamada Perlita, la cual, en
relación con las propiedades mecánicas posee características intermedias de las
fases que la componen, entre blanda y dúctil y dura y quebradiza.
Figura 2. Representación gráfica de las microestructuras del acero eutectoide.
7
Aceros Hipoeutectoides
Presentan una fase austenítica sólida a una composición inferior a 0.89% C con
granos orientados al azar. Al enfriar comienza a desarrollarse la ferrita y se
entra en la región bifásica α + γ donde la ferrita sufre una segregación
formándose en los límites de grano de la fase γ. Al sobrepasar en enfriamiento a
la línea A1 la austenita se transforma en perlita y se forma el acero.
Figura 3. Representación esquemática de las microestructuras del acero
hipoeutectoide.
Características:

Al carbono y también aleados.
Son plásticos y poseen buena resistencia mecánica.

Bajo carbono hasta 0.2 % C, medio carbono 0.2%-0.5% C y alto carbono

0.5 %C>.
Usos: Elementos de máquinas (Elementos de sujeción y transmisión de

potencia).
Figura 4.Acero hipoeutectoide 1045 SAE 100x.
8
Aceros estructurales
Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de
carbono menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como
manganeso, para mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para
mejorar su soldabilidad y resistencia a la intemperie. Es un material usado para
la construcción de estructuras, de gran resistencia, producido a partir de
materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas está la gran
resistencia
a
tensión
y
compresión
y
el
costo
razonable.
A pesar de la susceptibilidad al fuego y a la intemperie es el material estructural
más usado, por su abundancia, facilidad de ensamblaje y costo razonable.
Propiedades:
La alta resistencia del acero por unidad de peso, permite estructuras
relativamente livianas, lo cual es de gran importancia en la construcción de
puentes, edificios altos y estructuras cimentadas en suelos blandos. Sus
propiedades no se alteran con el tiempo, ni varían con la localización en los
elementos
estructurales.
Es el material que más se acerca a un comportamiento linealmente elástico,
hasta alcanzar esfuerzos considerables. Permite soportar grandes
deformaciones sin falla, alcanzando altos esfuerzos en tensión, ayudando a que
las fallas sean evidentes. Tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de
energía en deformación (elástica e inelástica) y de unirse fácilmente con otros
miembros (en perfiles se puede conectar fácilmente a través de remaches,
tornillos
o
soldadura).
La velocidad de construcción en acero es muy superior al resto de los
materiales, se encuentra disponible en perfiles para optimizar su uso en gran
cantidad de tamaños y formas, puede ser recuperado como chatarra siendo un
material 100% reciclable. Permite modificaciones y/o ampliaciones en
proyectos de manera relativamente sencilla.
Expuesto a intemperie sufre corrosión por lo que deben recubrirse siempre con
esmaltes alquidálicos (primarios anticorrosivos) exceptuando a los aceros
especiales como el inoxidable. En caso de temperaturas excesivas el calor se
propaga rápidamente por las estructuras haciendo disminuir su resistencia
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hasta alcanzar temperaturas donde el acero se comporta plásticamente,
debiendo protegerse con recubrimientos aislantes del calor y del fuego
(retardantes) como mortero, concreto, asbesto, etc.
La resistencia del acero puede disminuir cuando se somete a un gran número de
inversiones de carga o a cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión
(cargas pulsantes y alternativas).
Aceros para herramientas
En este grupo se incluyen todos los aceros que normalmente se emplean para la
fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y
dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de
viruta.
Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono
superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas
herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.1 a 0.30%).
Propiedades:
Los aceros de temple superficial, entre los que se encuentran los aceros de
herramientas al carbono, los aceros al tungsteno, se templan por lo general en
agua. La templabilidad de los aceros aumenta con el contenido en elementos de
aleación, excepto en el caso del cobalto, el cual es único elemento que la hace
disminuir. Para que en una sección grande la tenacidad tenga en toda ella un
valor elevado, conviene elegir un acero de alta aleación. En el caso de los aceros
de herramientas, el término tenacidad se refiere más a la capacidad de sufrir
golpes sin rotura que a la facultad de absorber energía durante la deformación.
La mayor parte de las herramientas tienen que ser piezas rígidas, y por lo
general cualquier deformación que presenten, por pequeña que sea, las hace
inservibles. Los aceros de herramientas con contenidos en carbono medios y
bajos, son los que presentan mejor tenacidad y constituyen el material utilizado
en la fabricación de herramientas resistentes al choque.
La resistencia que presenta el acero al ablandamiento a temperaturas elevadas,
viene reflejada, en cierto modo, por la resistencia que ofrece el material al
10
revenido, la cual constituye un factor importante a considerar en la elección de
los aceros de herramientas que trabajen a más de 500ºC es fundamental que
posean aleación, formadores de carburos duros y estables, mejora generalmente
la resistencia la ablandamiento a temperaturas elevadas, destacando en este
sentido los aceros que contienen grandes cantidades de tungsteno, cromo y
molibdeno.
Estos aceros presentan facilidad para su mecanización y a la obtención de un
acabado perfecto. Los factores que influyen en la maquinabilidad de los aceros
de herramientas son la dureza en estado de recocido, la microestructura del
acero y la cantidad de carburos presentes.
En comparación con los aceros aleados normales, los aceros de herramientas
son mucho más difíciles de mecanizar. El acero de herramienta que presenta
mejor maquinabilidad tiene un índice aproximadamente igual al 30%, por lo
tanto como referencia para comparar la maquinabilidad de los distintos aceros
de herramientas. La maquinabilidad y facilidad de trabajo de los aceros de
herramientas disminuye al aumentar el contenido de carbono y elementos de
aleados. Conforme aumenta el contenido en carbono y elementos de aleación en
los aceros, carbono en combinación con elementos que tienen gran tendencia a
formar carburos, como el vanadio, el tungsteno, el cromo y el molibdeno,
reduce la maquinabilidad al formarse gran número de partículas duras de
carburo, que no se disuelven en el recocido.
Resistencia a la descarburación
Ya que ésta determina la instalación a utilizar en el tratamiento térmico, y la
cantidad de material que es necesario quitar de la superficie después del temple.
La descarburación tiene lugar normalmente cuando los aceros se calientan a
temperaturas superiores a 704ºC t salvo que el material se proteja en el
calentamiento por algún procedimiento, como, por ejemplo, mediante la
utilización de una atmósfera protectora, es probable que la superficie del acero
pierda algo de carbono. Esta descarburación es la causa de que en el temple la
superficie
no
se
endurezca,
sino
que
quede
blanda.
Los aceros de herramientas al carbono son los que menos se descarburan. Los
11
aceros para la fabricación de herramientas para trabajos de choque presentan
una resistencia a la descarburación baja; los utilizados en las herramientas para
trabajos en caliente se consideran que tienen una resistencia mediana, y la
mayoría de los restantes aceros de herramientas ofrecen una resistencia a la
descarburación buena.
Clasificación:
Aceros al carbono: para la fabricación de herramientas para los usos más
diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de
carbono variables de 0.50 a 1.40%. Para herramientas que deban tener gran
tenacidad como martillos y picas; se emplean medios contenidos en carbono
0.50 a 0.70%. Para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas;
calidades intermedias de 0.70 a 1%. Para conseguir en cada caso la máxima
dureza,
deben
ser
templados
en
agua.
Aceros rápidos: la característica fundamental de estos aceros es conservar su
filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi a l rojo (600º) sin
disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos
son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4%
y
V
=
1.25%.
Aceros indeformables: reciben este nombre los aceros que en el temple no
sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido
quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del
tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el
manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple
enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C =
1%
y
Cr
=
5%
y
otra
C
=
1%
y
Mn
=
1%.
Aceros al corte no rápidos: se agrupan varios aceros aleados,
principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricación de
herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas.
Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rápidos
y los aceros al carbono, y la mayoría de herramientas fabricadas con ellos suelen
quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C.
Aceros Hipereutectoides
12
Presentan una fase austenítica a una composición superior a 0.89% C pero
inferior a 1.76 %C con granos orientados al azar. Al enfriar comienza a formarse
la cementita y se entra en la región bifásica γ+cem donde la cementita
comienza a formarse en los límites de grano de la austenita. Al sobrepasar en
enfriamiento a la línea A1 la austenita remanente se transforma en perlita y se
forma el acero.
Figura 5. Representación esquemática de las microestructuras del acero
hipereutectoide.
Características:

Generalmente aleados.

Muy alta resistencia mecánica.

Mayor modulo de Young, muy elásticos.

Alta resistencia mecánica y muy alta dureza.

Difíciles de deformar plásticamente.
Menor resiliencia.

13
Figura 6. Acero Hipereutectoide 1095 SAE
FUNDICIONES
Al igual que los aceros, las fundiciones son básicamente aleaciones hierrocarbono, con una alto porcentaje de carbono mayor que los aceros. Su
concentración está entre 1.76% y 6.67% de carbono.
La mayoría de las fundiciones que se manufacturan comercialmente están entre
2,5% y 4% de carbono. El máximo porcentaje de carbono que es posible
obtener en las aleaciones ferrosas es 6.67%.
Tipos de Fundiciones:
El mejor método para clasificar las fundiciones es de acuerdo con su estructura
metalográfica.
Las variables para definir los tipos de fundiciones son:

El porcentaje de carbono.


El contenido de aleación y de impurezas.
La velocidad de enfriamiento.

El tratamiento térmico después de la fusión en donde es posible observar
grandes diferencias en la microestructura la cual define su forma física.
El carbono puede estar libre, es decir en forma de grafito o puede estar
combinado en forma de carburo de hierro en la cementita. La distribución del
carbono sin combinar influirá en gran medida en las propiedades físicas de las
fundiciones.
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Clasificación las Fundiciones

Fundición blanca.

Fundición gris.

Fundición nodular.

Fundición aleada.
Fundición blanca
Es una aleación hierro-carbono hipoeutéctica que se obtienen mediante
tratamiento térmico y en condiciones de rápida velocidad de enfriamiento
durante la solidificación llevado a cabo generalmente por aire y la cual produce
una capa superficial de hierro fundido blanco combinado con un interior de
hierro gris. La mayoría del carbono permanece sin combinar en forma de
partículas redondas irregulares (carbón revenido).
Las fundiciones blancas tienen una cantidad de cementita relativamente grande
en forma de una red ínter dendrítica continua lo que hace a la fundición dura y
resistente al desgaste, pero extremadamente frágil y difícil de mecanizar.
Las fundiciones blancas tienen pocas aplicaciones en ingeniería debido a su
fragilidad y falta de maquinabilidad. Es usada en casos en que la resistencia al
desgaste es lo más importante y la aplicación a la cual está destinada no
requiere buena ductilidad ni maleabilidad como es el caso de las camisas para
mezcladoras de cemento, bolas de trituración para acería, camisas interiores de
las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y
boquillas de extrusión.
También se utiliza en grandes cantidades como material de partida para la
fabricación de fundición maleable.
Intervalo de propiedades mecánicas para las fundiciones blancas:

Dureza: 375 a 600 Brinell

Resistencia a tracción: 20.000 a 70.000 psi.

Resistencia a compresión: 200.000 a 250.000 psi.
Módulo de Young: 24 a 28.000.000 psi.

15
Clasificación de las fundiciones blancas:
Fundición blanca perlítica: Tiene una resistencia a la tracción de
21kg/mm2, una tenacidad de 1,27-1,87 kgf y una dureza: 500-600 Brinell.
Fundición blanca martensítica: Tiene una resistencia a la tracción de 3542 kg/mm2, tenacidad: 1,60-1,72 kgf y una dureza: 600 Brinell
Figura 7. Microestructura Fundición blanca (Regiones claras son cementita
rodeadas de perlita).
Fundición de hierro Maleable
Se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en
atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900
°C. Bajo estas condiciones la cementita se descompone para dar grafito en
forma de racimos o rosetas dentro de la matriz ferrítica o perlítica de modo
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similar a la de la fundición esferoidal. Se suele emplear en tubos de dirección y
engranajes de transmisión, muelles tubulares y partes de válvulas.
Figura 8. Microestructura fundición maleable (Grafito oscuro en forma de
rosetas sobre una matriz de ferrita).
Fundición Nodular
Se obtiene al añadir pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición
gris en estado líquido dentro del cucharón antes del vaciado permitiendo que el
grafito se segregue en forma de pequeñas bolas esferoides, las cuales
interrumpen la continuidad de la matriz lo que confiere a la fundición mayor
resistencia y tenacidad. No es frágil y tiene propiedades mecánicas similares a
las de los aceros. Presenta una mayor resistencia a la tracción que la fundición
gris y se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta
resistencia, cuerpos de bomba, cigüeñales y pistones. Se diferencia de
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la maleable porque generalmente se obtiene como resultado de la solidificación
y no requiere tratamiento térmico.
Propiedades:
La fundición nodular presenta en ciertos casos propiedades comparables con las
de los aceros, el modulo de elasticidad, que puede alcanzar valores de hasta
17500 Kg/mm2 cuando se encuentra en estado recocido; presentan, además,
valores de resiliencia y porcentaje de elongación muy por encima de las
fundiciones pero por debajo de los aceros. Los valores de límite de elasticidad
varían entre un 65 y un 85% de la última carga de acuerdo al tratamiento que se
le realice a la fundición después de la inoculación. Cuando la fundición es
empleada en estado bruto de colada presenta una resistencia a la tracción de
aproximadamente unos 70 Kg/mm2 y un 3% de alargamiento. Cuando se desea
una buena dureza y una aceptable ductilidad se recomienda utilizar fundiciones
esferoidales que hayan sido sometidas a tratamientos térmicos de normalizado
y revenido o bien a temple y revenido ya que se pueden obtener por medio de
estos tratamientos resistencias a la tracción que varían entre 80 y 90 Kg/mm2 y
porcentajes de alargamiento entre 1.5 y 2.0%. La presencia de grafito contribuye
al mejoramiento de la maquinabilidad que es similar a la de las fundiciones
grises y superior a la de los aceros que presentan durezas similares. La
fundición nodular tiene el punto de fusión más bajo que cualquier otra aleación
hierro-carbono, debido esto a que su composición está muy cerca del punto
eutéctico, por lo que presenta mejor capacidad de colado y mayor fluidez que
otras aleaciones hierro-carbono, Es usada con gran regularidad para fabricar
piezas fundidas de formas complicadas.
18
Figura 9. Microestructura Fundición Nodular (Esferoides de grafito sobre una
matriz de ferrita).
Fundición gris
Es una aleación hierro-carbono hipoeutéctica con un porcentaje entre 2.5 y 4.0
% y de silicio entre 1 y 3 %. El grafito suele aparecer como hilos dentro de una
matriz de ferrita o perlita. Desde un punto de vista mecánico las fundiciones
grises son frágiles y poco resistentes a la tracción, su resistencia y ductilidad a
los esfuerzos de compresión son mayores. Estas fundiciones amortiguan de
forma óptima las vibraciones y en un mayor grado que los aceros, por lo que en
sistemas de transmisión de potencia y mecanismos son muy utilizadas. A la
temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear piezas
de formas complejas. Es además, uno de los materiales metálicos más baratos.
Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de
motores.
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Propiedades:
La fundición gris tiene una carga de rotura a la tracción pequeña, entorno a los
15 kg/mm² y llega a los 30 , 40 y 45 kg/ mm² según sea su composición.
Su resistencia a la compresión es mayor, y para las fundiciones grises normales
resulta cerca de tres veces la de la tracción, por eso, sus aplicaciones principales
se da en piezas sometidas a esfuerzos de compresión, más bien que a los de
tracción.
Puesto que en la flexión las fibras del elemento quedan tensas en la parte
convexa, y comprimidas en la cóncava, la resistencia a la flexión varia según la
orientación de la sección.
Es poco resiliente debido a que no es susceptible a sufrir deformaciones
plásticas.
Su dureza relativamente elevada, esta varía entre 130 a 300 Brinell según sea su
composición. A pesar de su elevada dureza se puede mecanizar fácilmente,
porque la viruta se desprende mejor y por la presencia de grafito liberado, que
lubrica el paso de la viruta sobre el corte de la herramienta. No es dúctil ni
maleable; se puede soldar al latón; en la soldadura oxiacetilénica y en la
eléctrica de arco. La fundición puede recibir baños galvánicos, ser niquelada, ser
galvanizada en caliente, estañada y esmaltada al fuego (piezas de uso doméstico
y para la industria química).
La fundición tiene poca resistencia química, y se deteriora con los ácidos, los
elementos alcalinos y las oxidaciones.
20
Figura 10. Microestructura fundición gris (Hilos de grafito sobre una matriz
de ferrita).
Resistencia
a la
tracción-psi
Clase
Dureza
brinell
Estructura
20
24000
130-180
F,P
30
34000
170-210
F,P,G
40
44000
210-260
P,G
50
54000
240-280
P,G
60
64000
260-300
B,G
Tabla. Clasificación de las fundiciones grises según la norma ASTM A48-41.
21
Figura 11. Microestructuras en el diagrama hierro carbono.
Diferencias entre los aceros y las fundiciones

Las fundiciones de hierro son más resistentes a la corrosión y a los cambios
súbitos de temperatura que los aceros.

Las fundiciones presentan mayor porcentaje de carbono y por tanto son más

duras y frágiles que los aceros.
Los aceros son usados generalmente para la fabricación de piezas mecánicas,
elementos de transmisión de potencia y herramientas de trabajo.

Las fundiciones son usadas generalmente para la fabricación de piezas de
gran tamaño como carcasas y bancadas.

Las fundiciones poseen una maleabilidad y ductilidad casi nula comparada
con los aceros que pueden ser sometidos a procesos de forjado y laminado.
Diferencias entre las fundiciones blancas y las fundiciones grises

Las fundiciones blancas son muy duras y frágiles, carecen de ductilidad y

maleabilidad.
Las fundiciones grises presentan hilos de grafito sobre una matriz clara de
ferrita.
22

Las fundiciones blancas presentan una serie de mapas de cementita sobre
una matriz oscura de perlita.
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS SEGÚN LA NORMA AISI/SAE
La norma AISI/SAE (también conocida por SAE-AISI) es una clasificación de
aceros y aleaciones de materiales no ferrosos. Es la más común en los países de
Latinoamérica entre los que se encuentra Colombia. La norma surge por la
necesidad de manejar una sola nomenclatura unificada debido a que se
manejaba en todos los países nomenclaturas distintas para diferentes aceros. Lo
que conllevaba a la confusión e inclusive a la utilización de los aceros en
maquinas, vehículos o en otro tipo de estructuras con diferentes características
ya que no era el necesario para el dispositivo.
De igual manera, cada nomenclatura tiene sus iniciales, la AISI es designado en
ingles comoAmerican Iron and Steel Institute (Instituto americano del hierro y
el acero), mientras que SAE es designado en ingles como Society of Automotive
Engineers (Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores).
Entre otras designaciones se encuentran:
ASME (American Society of Mechanical Engineers),
ANSI (American National Standards Institute),
ACI (Alloy Casting Institute) ,
AWS (American Welding Society)
Igualmente, en este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El
primero especifica la aleación principal, el segundo indica el porcentaje
aproximado del elemento principal y con los dos últimos dígitos se conoce la
cantidad de carbono presente en la aleación. Ejemplo: 1045 AISI SAE tiene 0,45
porcentaje de Carbono.
La aleación principal que indica el primer dígito es la siguiente:
1. Carbono es un elemento principal su ubicación en la tabla periódica es de
grupo A
2. Níquel
23
3. Níquel-Cromo, principal aleante el cromo
4. Molibdeno
5. Cromo
6. Cromo-Vanadio, principal aleante el cromo
7. Esta numeración indica que son aceros resistentes al calor, pero estos no se
fabrican habitualmente.
8. Níquel-Cromo-Molibdeno, principal aleante el molibdeno
9. Silicio
Por otra parte, en las normas ASTM, para referirse a los distintos aceros, se
puede hablar de “Grado”, “Clase” o “Tipo”. Por ejemplo A106 Grado A, A48
Clase 20A, A276 Tipo 304.
Por otra parte, los códigos numéricos o alfanuméricos usados para referirse a un
acero, a veces tienen algo de significado. En los grados designados por letras del
alfabeto A, B, C,.. el contenido de carbono y su resistencia mecánica aumentan
en el mismo orden. En las clases, del código numérico indica su tensión de
ruptura en PSI. La designación de un mismo acero también cambia según se
trate de un producto laminado, forjado (se usa nomenclatura AISI, Ejemplo
TP304 para tubos y cañerías, F304 para piezas forjadas, WP304 y CR304 para
fittings) o un producto fundido (se usa nomenclatura ACl, Por Ejemplo CF8
para el cuerpo fundido de una válvula, no se dice “304 fundido”).
De igual manera, esta gran diversidad y falla de sistematización se trata de
resolver, mediante un sistema de numeración unificado UNS (Unifred
Numbering System) acordado entre ASTM y SAE, que poco a poco se ha ido
divulgando. Actualmente se considera acero a una aleación cuyo contenido
porcentual de hierro, en peso, es superior al de cualquier otro componente de la
aleación y con un contenido de carbono que no supere el 1,76%, sin embargo, si
se supera esta cantidad de carbono entraríamos en la zona de las fundiciones.
Cabe mencionar, que en el diagrama de hierro carbono si hablamos de un
material que tenga un porcentaje de carbono menor al 1,76% estaremos
hablando de la zona de los aceros, si se supera dicho valor hablaremos de la
zona de las fundiciones.
24
En los aceros aleados los dos primeros dígitos indican los principales elementos
de aleación y sus rangos. A veces se intercalan letras después de los dos
primeros dígitos para indicar otra característica (B indica Boro, L indica
Plomo). También pueden usarse prefijos( M indica calidad corriente, E indica
horno eléctrico, H indica endurecible). En la siguiente tabla se muestra muchos
de los ejemplos de la nomenclatura del acero.
Aceros al
Carbono
Descripción
1OXX
no-resulfurado, 1.00 Mn máx
IlXX
resulfurado
12XX
resulfurado y refosforizado
15XX
no-resulfurado, sobre 1.00 Mn máx
Aceros
aleados
13XX
1.75 Mn
40XX
0.20 o 0.25 Mo, o 0.25 Mo + 0.042
S
41XX
0.50, 0.80 o 0.95 Cr + 0.12, 0.20 o
0.30 Mo
43XX
1.83 Ni, 0.50-0.80 Cr, 0.25 Mo
46XX
0.85 o 1.83 Ni + 0.20 o 0.25 Mo
47XX
1.05 Ni, 0.45 Cr, 0.20 o 0.35 Mo
48XX
3.50 Ni + 0.25 Mo
51XX
0.80, 0.88, 0.93, 0.95 o 1.00 Cr
51XXX
1.03 Cr
25
52XXX
1.45 Cr
61XX
0.60 o 0.95 Cr + 0.13 o 0.15 V min
86XX
0.55 Ni, 0.50 Cr, 0.20 Mo
87XX
0.55 Ni, 0.50 Cr, 0.25 Mo
88XX
0.55 Ni, 0.50 Cr, 0.35 Mo
92XX
2.00 Si o 1.40 Si + 0.70 Cr
50BXX
0.28 o 0.50 Cr, 0.0005 – 0.003 B
51BXX
0.80 Cr, 0.0005-0.003 B
81BXX
0.30 Ni, 0.45 Cr, 0.12 Mo, 0.0005 –
0.003 B
0.45 Ni, 0.40 Cr, 0.12 Mo, 0.0005 –
94BXX
0.003 B
Tabla 1. Ejemplos de Nomenclatura con aceros aleados y no aleados.La
siguiente información esta dada en la siguiente pagina web
Existen dos formas de identificar los aceros: la primera es a través de
su composición química, por ejemplo utilizando la norma AISI:
Nº
AISI:
Descripción
Ejemplo
10XX
Son aceros sin aleación con 0,XX % de
C
(1010; 1020; 1045)
41XX
Son aceros aleados con Mn, Si, Mo y
Cr
(4140)
51XX
Son aceros aleados con Mn, Si y C
(5160)
26
La Tabla 2 relaciona la nomenclatura AISI-SAE con los valores de resistencia,
ductilidad y dureza, conceptos que se explicarán más adelante. Sirve para
relacionar la composición química y las propiedades mecánicas de los aceros.
En las Tablas 3 y 4 se entrega información detallada de la composición
química de diversas aleaciones listadas en base su número AISI-SAE.
Nº SAE o
AISI
Resistencia
a la tracción
Rm
Límite de
fluencia
Re
Alargamiento
en 50 mm
Dureza
Brinell
Kgf / mm2
Mpa
Kgf/mm2
Mpa
%
1010
40,0
392,3
30,2
292,2
39
109
1015
42,9
420,7
32,0
313,8
39
126
1020
45,8
449,1
33,8
331,5
36
143
1025
50,1
491,3
34,5
338,3
34
161
1030
56,3
552,1
35,2
345,2
32
179
1035
59,8
586,4
38,7
377,5
29
190
1040
63,4
621,7
42,2
413,8
25
201
1045
68,7
673,7
42,2
413,8
23
215
1050
73,9
724,7
42,2
413,8
20
229
1055
78,5
769,8
45,8
449,1
19
235
1060
83,1
814,9
49,3
483,5
17
241
1065
87,0
853,2
51,9
509,0
16
254
1070
90,9
891,4
54,6
535,4
15
267
1075
94,7
928,7
57,3
560,9
13
280
1080
98,6
966,9
59,8
586,4
12
293
Tabla 2. Propiedades Mecánicas. Barras de acero en caliente.
27
Designación
AISI
C
P
S
(max)
(max)
max
0,040
0,050
Mn
NO RESULFURIZADOS
MÁXIMO DE MANGANESO: 1,00 %
1005
0,06
max
0,35
1006
0,08
max
0,25
-
0,40
0,040
0,050
1008
0,10
max
0,30
-
0,50
0,040
0,050
1010
0,08
-
0,13
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1012
0,10
-
0,15
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1015
0,13
-
0,18
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1016
0,13
-
0,18
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1017
0,15
-
0,20
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1018
0,15
-
0,20
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1019
0,15
-
0,20
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1020
0,18
-
0,23
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1021
0,18
-
0,23
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1022
0,18
-
0,23
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1023
0,20
-
0,25
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1025
0,22
-
0,28
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1026
0,22
-
0,28
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1029
0,25
-
0,31
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1030
0,28
-
0,34
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1035
0,32
-
0,38
0,60
-
0,90
0,040
0,050
28
1037
0,32
-
0,38
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1038
0,35
-
0,42
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1039
0,37
-
0,44
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1040
0,37
-
0,44
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1042
0,40
-
0,47
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1043
0,40
-
0,47
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1044
0,43
-
0,50
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1045
0,43
-
0,50
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1046
0,43
-
0,50
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1049
0,46
-
0,53
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1050
0,48
-
0,55
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1053
0,48
-
0,55
0,70
-
1,00
0,040
0,050
1055
0,50
-
0,60
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1059
0,55
-
0,65
0,50
-
0,80
0,040
0,050
1060
0,55
-
0,65
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1064
0,60
-
0,70
0,50
-
0,80
0,040
0,050
1065
0,60
-
0,70
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1069
0,65
-
0,75
0,40
-
0,70
0,040
0,050
1070
0,65
-
0,75
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1078
0,72
-
0,85
0,30
-
0,60
0,040
0,050
1080
0,75
-
0,88
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1084
0,80
-
0,93
0,60
-
0,90
0,040
0,050
29
1086
0,80
-
0,93
0,30
-
0,50
0,040
0,050
1090
0,85
-
0,98
0,60
-
0,90
0,040
0,050
1095
0,90
-
1,03
0,30
-
0,50
0,040
0,050
ACEROS AL CARBONO CON ALTO
CONTENIDO DE MANGANESO
1013
0,10
-
0,16
1,10
-
1,40
0,040
0,050
1022
0,18
-
0,24
1,10
-
1,40
0,040
0,050
1024
0,19
-
0,25
1,35
-
1,65
0,040
0,050
1026
0,22
-
0,29
1,10
-
1,40
0,040
0,050
1027
0,22
-
0,29
1,20
-
1,50
0,040
0,050
1041
0,36
-
0,44
1,35
-
1,65
0,040
0,050
1048
0,44
-
0,52
1,10
-
1,52
0,040
0,050
1051
0,45
-
0,56
0,85
-
1,56
0,040
0,050
1052
0,47
-
0,55
1,20
-
1,55
0,040
0,050
1061
0,55
-
0,65
0,75
-
1,65
0,040
0,050
1066
0,60
-
0,71
0,85
-
1,71
0,040
0,050
ACEROS RESULFURIZADOS (de fácil labrado)
0,081108
0,08
-
0,13
0,50
-
0,80
0,040
0,13
0,08-
1109
0,08
-
0,13
0,60
-
0,90
0,040
0,13
0,08-
1117
0,14
-
0,20
1,00
-
1,30
0,040
0,13
30
0,081118
1119
0,14
0,14
-
-
0,20
0,20
1,30
1,00
-
-
1,60
1,30
0,040
0,13
0,040
0,240,33
0,08-
1132
1137
1139
0,27
0,32
0,35
-
-
-
0,14
0,39
0,43
1,35
1,35
1,35
-
-
-
1,65
1,65
1,65
0,040
0,13
0,040
0,080,13
0,040
0,130,20
0,08-
1140
0,37
-
0,44
0,70
-
1,00
0,040
0,13
0,08-
1141
0,37
-
0,45
1,35
-
1,65
0,040
0,13
0,24-
1144
0,40
-
0,48
1,35
-
1,65
0,040
0,33
0,04-
1145
0,42
-
0,49
0,70
-
1,00
0,040
0,07
0,08-
1146
0,42
-
0,49
0,70
-
1,00
0,040
0,13
0,08-
1151
0,80
-
0,55
0,70
-
1,00
0,040
0,13
0,04
0,08-
máx
0,13
0,07-
0,10-
0,012
0,15
ACEROS REFOSFORADOS Y RESULFURIZADOS
1110
1211
0,08
0,13
-
0,13
máx
0,30
0,60
-
-
0,60
0,90
31
1212
1213
1216
1215
12L14
0,13
máx
0,13
máx
0,14
-
0,09
0,20
máx
0,15
máx
0,07
-
0,70
-
1,10
-
0,75
-
0,85
-
0,07-
0,16-
1,00
0,012
0,23
1,00
0,070,012
0,240,33
0,04
0,16-
1,40
máx
0,23
1,05
0,040,09
0,260,35
1,15
0,040,09
0,260,35
Tabla 3 Composición química de los principales aceros al carbono.
Designación
AISI
P
(max)
S
(max)
C
Si
1330
0,28
-
0,33
1,60
-
1,90
0,035
0,040
0,15
1335
0,33
-
0,38
1,60
-
1,90
0,035
0,040
0,15
1340
0,38
-
0,43
1,60
-
1,90
0,035
0,040
0,15
1345
0,43
-
0,48
1,60
-
1,90
0,035
0,040
0,15
4023
0,20
-
0,25
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
4024
0,20
-
0,25
0,70
-
0,90
0,035
0,035
0,15
4027
0,25
-
0,30
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
4028
0,25
-
0,30
0,70
-
0,90
0,035
0,035
0,15
4037
0,35
-
0,40
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
4047
0,45
-
0,50
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
Mn
32
4118
0,18
-
0,23
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
4130
0,28
-
0,33
0,40
-
0,60
0,035
0,040
0,15
4137
0,35
-
0,40
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
4140
0,38
-
0,43
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
4142
0,40
-
0,45
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
4145
0,43
-
0,48
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
4147
0,45
-
0,50
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
4150
0,48
-
0,53
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
4161
0,56
-
0,64
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
4320
0,17
-
0,22
0,45
-
0,65
0,035
0,040
0,15
4340
0,38
-
0,43
0,60
-
0,80
0,035
0,040
0,15
E4340
0,38
-
0,43
0,65
-
0,85
0,025
0,025
0,15
4615
0,13
-
0,18
0,45
-
0,65
0,035
0,040
0,15
4620
0,17
-
0,22
0,45
-
0,65
0,035
0,040
0,15
4626
0,24
-
0,29
0,45
-
0,65
0,035
0,040
0,15
4720
0,17
-
0,22
0,50
-
0,70
0,035
0,040
0,15
4815
0,13
-
0,18
0,40
-
0,60
0,035
0,040
0,15
4817
0,15
-
0,20
0,40
-
0,60
0,035
0,040
0,15
4820
0,18
-
0,23
0,50
-
0,70
0,035
0,040
0,15
5117
0,15
-
0,20
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
5120
0,17
-
0,22
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
5130
0,28
-
0,33
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
5132
0,30
-
0,35
0,60
-
0,80
0,035
0,040
0,15
5135
0,33
-
0,38
0,60
-
0,80
0,035
0,040
0,15
33
5140
0,38
-
0,43
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
5150
0,48
-
0,53
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
5155
0,51
-
0,59
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
5160
0,56
-
0,64
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
E51100
0,98
-
1,10
0,25
-
0,45
0,025
0,025
0,15
E52100
0,98
-
1,10
0,25
-
0,45
0,025
0,025
0,15
6118
0,16
-
0,21
0,50
-
0,70
0,035
0,040
0,15
6150
0,48
-
0,53
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8615
0,13
-
0,18
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8617
0,15
-
0,20
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8620
0,18
-
0,23
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8622
0,20
-
0,25
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8625
0,23
-
0,28
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8627
0,25
-
0,30
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8630
0,28
-
0,33
0,70
-
0,90
0,035
0,040
0,15
8637
0,35
-
0,40
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
8640
0,38
-
0,43
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
8642
0,40
-
0,45
0,75
-
1,00
0,035
0,040
0,15
Tabla 4: Designación AISI con ocho componentes.
34
Grados
Resistencia
Límite de
del
Acero
a la tracción
Rm
fluencia
Re
Alargamiento
en 50 mm
Kgf/mm2
Mpa
Kgf/mm2
Mpa
%
24ES
37
363
24
235
22
A4227ES
42
412
27
265
20
A5234ES
52
510
34
324
18
44,9
440
28,6
280
16
64,2
630
42,8
420
(*)
A37-
A4428H
A6342H
Tabla 5: Valores de resistencia y ductilidad de los aceros para uso estructural y
de barras para hormigón armado.
DIAGRAMA ESTABLE HIERRO CARBONO-DIFERENCIAS CON EL
DIAGRAMA METAESTABLE
La posibilidad de que el carbono esté libre o combinado permite la existencia de
dos diagramas distintos:

Diagrama estable (Fe-grafito)

Diagrama meta-estable (Fe-carburo de hierro).
Hasta alrededor del 2% de carbono las aleaciones siguen el diagrama metaestable y se utiliza industrialmente para la producción de aceros. Por encima del
2% de carbono, las aleaciones pueden seguir el diagrama estable o meta-estable
y se utilizan industrialmente para la producción de fundiciones.
35
Figura Diagrama Meta-estable Fe-C-Diagrama Estable Fe-C
Diferencias entre el Diagrama Estable y el Diagrama Meta-estable


Cambio de cementita a grafito.
Leve desplazamiento de A1 del diagrama estable con respecto al metaestable con un consecuente aumento de la temperatura necesaria para la
transición de fase desde Perlita a Austenita a través del eutectoide debido a
la concentración de grafito.

Desplazamiento de los puntos críticos eutéctico y eutectoide.
Figura 11. Bloque motor de auto- Fundición gris.
36
Bibliografía:
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