Las aleaciones de hierro que tienen desde pequeñas cantidades, alrededor del 0.03 %, a un 1.2% de carbono, con cantidades de un 0.25 a 0.7% de Mn y/o Si y pequeñas cantidades no superiores a 0.050% de S y P, reciben el nombre de aceros al carbono o aceros ordinarios de construcción. Cuando en su composición aparecen otros elementos de aleación, reciben el nombre de aceros aleados.
No obstante, y a pesar de que contengan ciertos elementos de aleación, los aceros se tratarán como aleaciones binarias de hierro y carbono, tratándose el efecto de los elementos sobre el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, que aparece recogido en la figura 13.1.

Figura 13.1 Diagrama de equilibrio Fe-Fe3C.

El diagrama de equilibrio se representa hasta un contenido del 6.67% de C, correspondiente a la composición del carburo de hierro que recibe el nombre de cementita. En el diagrama de equilibrio se observan las siguientes fases sólidas: ferrita d, austenita (g), ferrita a, y cementita (Fe3C).
La ferrita d es una solución sólida de carbono en hierro d que tiene una estructura c.c. y un límite de solubilidad máxima de carbono de 0.09% a 1465°C. La austenita (g), es una solución intersticial de carbono en el hierro g que tiene una estructura cristalina c.c.c. y presenta una solubilidad máxima del carbono mucho mayor, alrededor del 2.08% a 1148°C, que disminuye hasta el 0.8% a 723°C, temperatura eutectoide.
La ferrita a es una solución sólida de carbono en el hierro a que tiene igualmente una estructura cristalina c.c. y presenta una solubilidad del carbono muy reducida, tan sólo del 0.02% a la temperatura eutectoide y que disminuye hasta 0.005% de C a temperatura ambiente. La cementita es un compuesto intermetálico formado por un átomo de carbono y tres de hierro. La cementita es un compuesto duro y frágil.
De las reacciones que tienen lugar en el diagrama, la más importante es la reacción eutectoide en la que la austenita produce un desdoblamiento a ferrita y cementita, formando el nuevo constituyente denominado perlita. En la figura 13.2 se recogen las diferentes microestructuras formadas en el enfriamiento de aceros hipoeutectoides, eutectoides e hipereutectoides.

Figura 13.2. Microestructuras obtenidas en enfriamientos lentos de aceros: a) eutectoides, b) hipoeutectoides y c) hipereutectoides.

 

Son muchos los parámetros que influyen en las características mecánicas de un acero, ya que estas aleaciones pueden endurecerse prácticamente por todos los mecanismos de endurecimiento ya estudiados: aleación, deformación, precipitación y transformación martensítica.
Tal como se ha estudiado anteriormente, en el apartado de la transformación eutectoide, las propiedades mecánicas del acero serán la media ponderada de las distintas microestructuras que lo componen, figura 13.3.

 

 

 

 

 

Figura 13.3. Características mecánicas correspondientes a los aceros al carbono normalizados.

 

 

 

 

 

 

 

 

De la misma manera sucede con la deformación plástica producida en el material por el trabajado en frío que implica un efecto de orientación de los granos, apareciendo una anisotropía que se extiende a todas las propiedades del acero, y un efecto de endurecimiento, que tiene como consecuencia aumentar el límite de elasticidad y la resistencia a tracción a base de reducir el alargamiento y la estricción. En este sentido hay un marcado efecto del tamaño de grano resultante de la recristalización que aumenta el límite elástico cuando disminuye el tamaño de grano.
Variando la forma de calentamiento y enfriamiento de los aceros, se pueden obtener diferentes combinaciones de las propiedades mecánicas de los aceros. Si una muestra de acero al carbono en estado austenítico se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente, templán-dola en agua, su estructura cambiará de austenita a martensita. La martensita en los aceros, es una fase metaestable formada por una solución sólida intersticial sobresaturada de carbono en hierro con estructura tetragonal centrada en el cuerpo de acuerdo con la distorsión de Bain, tal como se estudió en la unidad 7. La temperatura a la cual comienza la transformación de austenita a martensita se denomina inicio de martensita, o temperatura Ms, y la temperatura a la cual la transformación termina, fin de martensita, o temperatura Mf. La temperatura Ms disminuye para los aceros al carbono a medida que aumenta el porcentaje en peso de carbono, como se representa en la figura 13.4.

 

 

 

 

Figura 13.4. Efecto del contenido de carbono sobre la temperatura de inicio de transformación a martensita, Ms, de los aceros.

 

 

 

 

 

La dureza y resistencia de la martensita está directamente relacionada con su contenido en carbono, y ambas propiedades aumentan a medida que el contenido de carbono aumenta, figura 13.5. Sin embargo, la ductilidad y tenacidad disminuyen a medida que aumenta el contenido de carbono, y por ello deben revenirse las estructuras martensíticas de la mayoría de los aceros ordinarios.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 13.5. Dureza de los aceros ordinarios, en función del carbono, con diferentes velocidades de enfriamiento.

 

 

 

 

 

 

 

 

Las martensitas de acero con bajo contenido de carbono endurecen principalmente por la elevada densidad de dislocaciones formadas durante el enfriamiento y por el efecto de solución sólida intersticial. Cuando el contenido de carbono se eleva por encima del 0.2 %, el efecto de solución sólida intersticial comienza a ser muy importante e inicia la distorsión de la estructura cristalina del hierro hacia la tetragonalidad.