7.4: Hierro y Acero

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Otro lugar muy importante donde la diferencia entre la dureza de un BCC y un metal muy empaquetado es importante es en la fabricación de acero. Entre la temperatura ambiente y 912 ^o C, el hierro tiene la estructura BCC, y es un metal duro y duro (“duro como clavos”). Por encima de 912 ^o C, el hierro puro cambia a la estructura FCC (austenita), que es mucho más dúctil. Por lo tanto, el hierro caliente se puede doblar y trabajar en una variedad de formas cuando está muy caliente pero aún sólido (se funde a 1535 ^o C). El enfriamiento rápido del hierro caliente, por ejemplo, cuando el herrero sumerge una pieza al rojo vivo directamente en agua fría, la enfría a temperatura ambiente, pero no deja tiempo para que ocurra la transición de fase FCC —> BCC; por lo tanto, tales piezas siguen siendo relativamente maleables y pueden conformarse.

Diagrama de fases de hierro-carburo de hierro (Fe-Fe ₃ C). Por debajo de 912 °C, el hierro puro existe como la fase alfa, ferrita, que tiene la estructura BCC. Entre 912 y 1,394 °C, existe hierro puro como fase gamma, austenita, que tiene la estructura FCC. El carbono es más soluble en la fase FCC, que ocupa el área “γ” en el diagrama de fases, que en la fase BCC. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación de hierro que se forma al enfriarse desde la fase FCC, o a partir de hierro líquido: hierro alfa, acero al carbono (perlita) o hierro fundido.

Se agrega carbono (aproximadamente 1% en peso) al hierro para hacer “acero al carbono”, que es un material muy duro. El carbono es bastante soluble en la fase FCC del hierro, pero no en la fase BCC. Por lo tanto, cuando la fase dúctil de FCC se enfría y se convierte en BCC (“templar” el acero, lo que significa enfriarlo lo suficientemente lento para que pueda ocurrir la transformación de FCC a BCC), el hierro ya no puede disolver el exceso de carbono. El carbono forma capas o granos de una fase extra, Fe ₃ C (“cementita” - un material muy duro) que están estratificados o punteados a lo largo de la matriz de granos de hierro BCC. El efecto de todos estos pequeños granos de Fe ₃ C es detener el movimiento de las dislocaciones, haciendo que sea un material más duro pero (con mayor contenido de carbono) cada vez más quebradizo. Es por ello que los cuchillos y espadas se apagan de la fase FCC, se trabajan en frío en las formas apropiadas, y luego se calientan nuevamente y se templan (antes de afilarlos) cuando se hacen. Los objetos de hierro fundido (sartenes, radiadores, etc.) tienen un mayor contenido de carbono y, por lo tanto, son muy fuertes, pero tienden a fracturarse en lugar de doblarse debido a la mayor fracción de la fase frágil de Fe ₃ C en la aleación.

Al enfriarse, la fase de aceros con alto contenido de carbono se segrega en una mezcla de granos microscópicos de hierro bcc (gris claro) y Fe3C (gris oscuro).