3.5. Aleaciones hipereutectoides

3.5.1. DOMINIO Y NATURALEZA DE LA ALEACIÓN HIPEREUTECTOIDE.
Esta zona presenta una transformación ligera a 900°C con cambio de pendiente en el registro dilatométrico y un fuerte cambio a la temperatura de 723°C, como la del eutectoide, con un escalón del mismo orden que en este. Puede por tanto pensarse que en esta zona, la transformación es similar a la de la composición hipoeutectoide.
No obstante, la observación de la microestructura nos lleva a valorar alguna diferencia. En efecto, figura 6.35, su microestructura se corresponde más a la del eutectoide, perlita, que con la del acero hipoeutectoide.
Con el eutectoide sólo existe la diferencia de que en el borde de grano se ha ubicado la fase proeutectoide, siendo por tanto mucho más grueso que en aquella. El análisis del hipotético borde de grano nos indica una alta dureza, 60 HRc, y una estructura cristalina correspondiente a la cementita.
La microestructura de los aceros hipereutectoides es bifásica, ferrita y cementita, conformada por granos de perlita, eutectoide laminar, rodeados de una red de cementita a lo largo de las fronteras entre granos.
A partir del diagrama de la figura 6.27, podemos indicar que la microestructura de los aceros hipereutectoides es como en los aceros eutectoides, donde todos los granos son bifásicos de perlita, pero diferenciados de aquellos por la fina red de cementita que actúa de matriz aislando cada uno de los granos de perlita.

3.5.2. LA TRANSFORMACIÓN EN LAS ALEACIONES HIPEREUTECTOIDES.
Consideremos ahora el caso de una aleación como la 2, figura 6.43, la cual corresponde a un acero hipereutectoide de 1% de carbono. En la región austenítica, la aleación está formada por una solución sólida y homogénea, cuyos granos contienen un 1% de carbono disuelto intersticialmente. Al descender con lentitud la temperatura de la aleación, no sucede nada hasta que su ordenada corta en X3 a la línea CJ. Esta línea se denomina línea de temperaturas críticas superiores, correspondiente a la zona hipereutectoide, y se representa por Acm, e indica la cantidad máxima de carbono que a cada temperatura puede disolver la austenita.

 

Figura 6.43.Representación esquemática de los cambios de microestructura durante un enfriamiento lento de un acero del 1% de carbono.

 
 
 
 
 
Por encima de la línea Acm, la austenita constituye una solución sólida insaturada. En los puntos sobre ella, tal como el X3, la austenita contiene la cantidad máxima de carbono que puede disolver, por lo que la solución se encuentra saturada. A medida que desciende la temperatura, el contenido de carbono de la austenita disminuye de acuerdo con los valores dados por la línea Acm. Por tanto, al descender la temperatura, de X3 a X4, el carbono en exceso no disuelto en la austenita precipita en forma de cementita, depositándose principalmente en los contornos de los granos.
Finalmente, en X4, la temperatura de la aleación es la correspondiente al eutectoide. La línea sobre la que se encuentra X4 se denomina línea de temperaturas críticas inferiores, y se designa por A3.1. La austenita residual, que representa aproximadamente el 96.5% del material de la aleación y cuyo contenido en carbono es un 0.8%, sufre ahora la reacción eutectoide, formándose perlita de acuerdo con el proceso descrito anteriormente.
A la temperatura ambiente, la microestructura de la aleación hipereutectoide está compuesta por granos equiaxiales de perlita, 96.5%, formados por transformación de la austenita a la temperatura A3.1 y por una red de cementita libre o proeutectoide formada entre las líneas Acm y A3.1, extendida por los bordes de grano de perlita.
Existe una diferencia importante entre las líneas de temperatura crítica superior, A3 y Acm. En efecto, en la primera de ellas se presenta una transformación alotrópica, mientras que en la segunda sólo tiene lugar un cambio en la solubilidad del carbono que obliga a la precipitación en forma del compuesto estable en el diagrama, que es la cementita.


3.5.3. CARACTERÍSTICAS RESISTENTES DE LAS ALEACIONES CON TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE.
En la figura 6.44 se correlaciona la dureza como función del porcentaje de carbono del acero.

 

Figura 6.44. Dependencia de la dureza con el contenido en carbono del acero.

 

 

Se observa un crecimiento lineal en el campo de bajas concentraciones de carbono que se hace exponencial a las concentraciones en el que todo es perlita. El modelo experimentado tiene la forma:

(6.5)

La justificación del crecimiento de dureza experimentado se encuentra en la microestructura de los aceros hipoeutectoides, correspondiente al ensamble de dos tipos de granos:
   a)  Ferrita, con dureza aproximada de 80 HB (HB a).
   b)  Perlita, con dureza aproximada de 300 HB (HB p).
La mayor dureza de la perlita se justifica por su propia microestructura bifásica: ferrita y cementita, en montaje tipo sandwich, combinando las características plásticas y dúctiles de la ferrita con la dureza y fragilidad de la cementita.
La dureza de los aceros hipoeutectoides será, en primera aproximación, la media ponderada de las partes, ferrita y perlita, que componen su microestructura. Es decir, si x es la cantidad de perlita en la estructura:
HB acero = (1-x) HB a + x HB p (6.6)
y en función del contenido en carbono, siendo:
C = 0.8 x (6.7)
HB = HBa + (HB p - HB a) C/0.8 (6.8)
Para nuestro caso:
HB = 80 + 220 C/0.8 6.9)
que corresponde a la linealización de la función exponencial experimentada.
En primera aproximación, las características resistentes de un acero hipoeutectoide es la media ponderada de las características de sus partes de ferrita, acero con bajísima disolución de carbono, 0.01%, y perlita, acero del 0.8% C. El comportamiento real, función exponencial amortiguada podrá justificarse por los mecanismos de plasticidad en la unidad 4.
En los catálogos y normas de aceros, usados comercialmente, no suelen aparecer aceros con contenido en carbono superior a la de la composición eutectoide para ser usados en estado recocido, que es el más parecido al exigido por el diagrama de fases. Esto se debe fundamentalmente, a que en la curva de durezas, y también del resto de características resistentes, en función del contenido de carbono aparece unos valores asintóticos, por lo que en primera instancia un aumento del carbono no supone mejoría en características.
Esto se debe a que el exceso de carbono sobre la composición eutectoide se incorpora en forma de cementita y se situa en bordes de grano, y no en aumentar la perlita que es la causa del endurecimiento.
Pero, además, sucede que la red de cementita, que rodea a los granos eutectoides, hace el efecto de matriz lo que le induce el efecto de fragilización, muy baja resistencia, de todo el sólido consecuencia del comportamiento frágil de la cementita, que es un compuesto intermetálico.
Los aceros hipereutectoides en estado de recocido muestran una gran fragilidad por efecto de la red de cementita que rodea los granos de perlita.