¿Por qué algunos aceros se doblan y otros se rompen? El secreto está en sus estructuras cristalinas. Este artículo explora las fascinantes diferencias entre los aceros austeníticos, ferríticos, cementicios y martensíticos. Descubrirá cómo sus disposiciones atómicas únicas influyen en su resistencia, flexibilidad y dureza, ofreciéndole ideas que podrían transformar su comprensión de la ciencia y la ingeniería de materiales. Prepárese para adentrarse en el mundo microscópico que da forma a las herramientas y estructuras de las que dependemos a diario.
La materia sólida en la naturaleza puede clasificarse en dos categorías: cristalina y amorfa.
Un cristal es un sólido con una forma geométrica regular que se forma mediante el proceso de cristalización. En un cristal, los átomos o moléculas se disponen periódica y repetidamente en el espacio según una regla determinada.
Un sólido amorfo, en cambio, corresponde a un cristal con átomos o moléculas dispuestos de forma irregular, sin periodicidad ni simetría. El vidrio es un ejemplo de sólido amorfo.
Los metales sólidos y las aleaciones son en su mayoría cristales. La estructura cristalina de los metales y las aleaciones es uno de los factores fundamentales que determinan sus propiedades físicas, químicas y mecánicas.
El hierro y el acero son sistemas de aleaciones cuyos elementos básicos son el hierro y el carbono.
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Dentro del sistema Fe-C, cuando el contenido en carbono es inferior a 0,02%, el material se clasifica como hierro puro. Si el contenido de carbono supera los 2,0%, se denomina arrabio, mientras que el intervalo entre estos dos límites se clasifica como acero.
El hierro puro, o hierro forjado, se caracteriza por cuatro estructuras cristalinas: α, β, γ y δ. Tres de estas estructuras, a saber, α, β y δ, presentan estructuras de centro cúbico, mientras que la cuarta, c, tiene una estructura de centro de caras cúbicas.
El hierro elemental puro cristaliza a 1538 ℃ para formar una estructura de núcleo cúbico conocida como hierro δ. Al enfriarse a 1394 ℃, se transforma en una estructura cúbica centrada en la cara denominada γ-hierro. El enfriamiento posterior hasta 912 ℃ da lugar a la formación de una estructura de núcleo cúbico conocida como α-hierro.
El acero tiene cuatro fases principales: austenitaferrita, cementita y martensita.
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Austenita es un compuesto intersticial de carbono en γ-Fe. La proporción entre átomos de Fe y átomos de C es de 27:1, lo que significa que solo hay un átomo de C presente en cada 6-7 celdas cúbicas centradas en las caras. La concentración de carbono disuelto en γ-Fe es de 2,11% a 1148℃ y de 0,77% a 727℃.
Las características de la austenita son que su resistencia y dureza son superiores a las de la ferrita, mientras que su plasticidad y tenacidad son mejores. Además, su grano tiene forma poligonal y su límite de grano es más recto que el de la ferrita.
La ferrita es una solución sólida de carbono en α-Fe, con un contenido de carbono cercano al hierro puro de aproximadamente 0,02%.
La ferrita posee características similares a las del hierro puro, como baja resistencia y dureza, y buena plasticidad y tenacidad. Su microestructura se caracteriza por granos poligonales brillantes.
La cementita es un compuesto formado por hierro y carbono en una proporción de 3:1, conocido como Fe3C. Pertenece al sistema cristalino ortogonal y tiene una estructura cristalina compleja. Cada célula de cementita consta de 12 átomos de Fe y 4 átomos de C.
Las características de la cementita incluyen una gran dureza, escasa plasticidad y tenacidad. Sus valores de δ y Akk son próximos a cero, y presenta una gran fragilidad.
Cuando el acero austenítico se templa a una temperatura inferior a 150°C, se transforma en martensitaque es extremadamente duro. La martensita puede considerarse una solución sólida sobresaturada formada por 1,6% de carbono en α-Fe, y tiene una estructura cristalina tetragonal.
Existen dos tipos de martensita: martensita de alto contenido en carbono (martensita laminar) y martensita de bajo contenido en carbono (martensita laminar).
La martensita se caracteriza por ser dura y quebradiza, tener poca tenacidad, gran tensión internay propensos a agrietarse.
La estabilidad de las cuatro fases varía. La ferrita y la cementita son formas cristalinas estables a temperatura ambiente, mientras que la austenita lo es a altas temperaturas.
Cuando el acero al carbono se templa, obtiene principalmente martensita, que es una forma cristalina inestable. Se pueden fabricar aceros aleados con distintas composiciones, como Mn, Ni y Cr, para distintos fines.
Los no investigadores de la industria del acero inoxidable están expuestos principalmente a la austenita, la ferrita y la martensita, mientras que la cementita es menos frecuente.
El acero inoxidable es una aleación típica con propiedades especiales que se consiguen añadiendo componentes de aleación a la fase básica.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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