Ejercicios: Diagramas de equilibrio y hierro-carbono

Explica qué es un diagrama de equilibrio (o diagrama de fases): qué variables se representan en sus ejes (temperatura y porcentaje de cada componente), qué indica cada región y por qué se llama «de equilibrio» (el enfriamiento debe ser muy lento para que los átomos tengan tiempo de reorganizarse). Usa como analogía el agua: a cada temperatura y presión le corresponde un estado estable.

Relaciona cada constituyente del diagrama hierro-carbono con su descripción: (a) ferrita, (b) cementita, (c) perlita, (d) austenita; con: solución sólida de carbono en hierro α, blanda y dúctil; carburo de hierro Fe₃C, muy duro y frágil; mezcla laminar de ferrita y cementita en láminas alternas; solución sólida de carbono en hierro γ, estable solo a alta temperatura.

La figura muestra el diagrama hierro-carbono simplificado con un punto marcado con el interrogante. a) Indica en qué zona cae ese punto y qué fase o fases presenta el acero a esa temperatura y composición. b) Explica qué representan los dos ejes del diagrama. c) Razona hacia dónde se desplazaría el punto si el acero tuviera más carbono.

Clasifica como acero o como fundición estas aleaciones hierro-carbono y ordénalas de menor a mayor dureza esperada: (a) $0{,}10\,\%$ de C, (b) $0{,}45\,\%$ de C, (c) $0{,}90\,\%$ de C, (d) $3{,}5\,\%$ de C. Recuerda que la frontera entre aceros y fundiciones está en torno al $2\,\%$ de carbono ($2{,}11\,\%$ en el diagrama real).

Indica si es verdadero o falso, justificando tu respuesta: «La perlita es un elemento químico que se añade al hierro para endurecerlo». Explica qué es realmente la perlita, a partir de qué constituyente se forma al enfriar y qué aspecto presenta al microscopio (láminas alternas claras y oscuras).

Explica qué significa que dos metales sean totalmente solubles en estado sólido (como el cobre y el níquel) frente a tener solubilidad parcial (como el hierro y el carbono). ¿Qué forma tiene el diagrama de fases de cada pareja y qué consecuencia práctica tiene para las aleaciones que se pueden fabricar?

Enuncia la regla de la palanca con tus palabras: para qué sirve dentro de una región de dos fases, qué segmentos se miden sobre la isoterma y cómo se obtiene el porcentaje de cada fase. Ilústralo con el símil de un balancín: el punto de apoyo es la composición de la aleación y los dos brazos «pesan» las fases de los extremos.

Describe la transformación eutectoide del acero: a qué temperatura ocurre ($727\ ^\circ\text{C}$), con qué composición ($0{,}77\,\%$ de C) y qué se produce al atravesarla enfriando (la austenita se transforma en perlita). Compárala con el punto eutéctico del diagrama ($4{,}3\,\%$ de C, $1\,147\ ^\circ\text{C}$), donde es un líquido el que se transforma en dos sólidos.

Una aleación con el $45\,\%$ del componente B se encuentra a una temperatura en la que coexisten una fase α con el $20\,\%$ de B y una fase líquida con el $60\,\%$ de B, como muestra la figura. a) Lee sobre la isoterma la longitud de los dos brazos de la palanca. b) Aplica la regla de la palanca para calcular el porcentaje de fase α y de fase líquida. c) Comprueba que ambos porcentajes suman el $100\,\%$.

Una aleación isomorfa (solubilidad total) contiene el $25\,\%$ del componente B. A cierta temperatura, la fase α presente tiene el $15\,\%$ de B y el líquido el $45\,\%$. a) Calcula con la regla de la palanca el porcentaje de cada fase presente. b) Razona qué les ocurre a esos porcentajes si la temperatura baja acercándose a la línea de sólidus (¿qué fase gana terreno?).

Un acero con el $0{,}4\,\%$ de carbono se enfría muy lentamente hasta temperatura ambiente. a) Indica qué constituyentes presenta su microestructura. b) Aplicando la regla de la palanca entre la ferrita ($0{,}02\,\%$ de C) y la perlita ($0{,}77\,\%$ de C), calcula el porcentaje de perlita del acero. c) Expresa qué fracción aproximada de la microestructura será ferrita.

Calcula el porcentaje de cementita total que contiene un acero con el $1{,}0\,\%$ de carbono a temperatura ambiente, aplicando la regla de la palanca entre el hierro prácticamente puro ($0{,}02\,\%$ de C) y la cementita ($6{,}67\,\%$ de C). Comenta si ese resultado justifica que los aceros de herramientas, con carbono en torno al $1\,\%$, sean mucho más duros que los de construcción.

Clasifica estos aceros como hipoeutectoide, eutectoide o hipereutectoide: (a) $0{,}25\,\%$ de C, (b) $0{,}77\,\%$ de C, (c) $1{,}10\,\%$ de C. Para cada uno indica qué constituyente «adelantado» aparece junto a la perlita al enfriar despacio (ferrita proeutectoide o cementita proeutectoide) y cita una aplicación coherente con su dureza creciente.

La micrografía de un acero muestra zonas blancas y zonas con bandas finas alternas claras y oscuras, ocupando estas últimas aproximadamente la mitad de la superficie. a) Identifica ambos constituyentes. b) Estima el porcentaje de carbono del acero a partir de la fracción de perlita observada. c) Razona si se trata de un acero típico de chapa de carrocería (muy bajo carbono) o de un eje de máquina (carbono medio).

Un acero eutectoide ($0{,}77\,\%$ de C) se enfría despacio desde $800\ ^\circ\text{C}$ hasta temperatura ambiente. a) ¿Qué fracción de perlita presentará? b) Calcula, dentro de esa perlita, el porcentaje de ferrita y de cementita aplicando la palanca entre el $0{,}02\,\%$ y el $6{,}67\,\%$ de carbono. c) Comenta por qué la cementita, siendo minoritaria, domina la dureza del acero.

Compara el diagrama cobre-níquel (solubilidad total en estado sólido) con el plomo-estaño (solubilidad parcial con punto eutéctico): diferencias de forma, qué ocurre exactamente en el punto eutéctico y por qué las aleaciones próximas a él funden a menor temperatura que los metales puros. Relaciona este hecho con la soldadura blanda de estaño-plomo usada en electrónica.

Un acero con el $0{,}6\,\%$ de carbono se estudia a temperatura ambiente tras un enfriamiento lento. a) Calcula los porcentajes de ferrita y de perlita (palanca entre el $0{,}02\,\%$ y el $0{,}77\,\%$ de C). b) Calcula el porcentaje total de cementita del acero (palanca entre el $0{,}02\,\%$ y el $6{,}67\,\%$ de C). c) Relaciona esa microestructura con sus propiedades y propón dos aplicaciones justificadas (por ejemplo, eje de máquina o tornillo estructural).

La figura muestra cómo varía el porcentaje de perlita de los aceros al carbono en función de su contenido de carbono, enfriados en condiciones de equilibrio. a) Explica por qué la gráfica sube hasta el $0{,}77\,\%$ de C y desciende después. b) Lee en la gráfica el porcentaje de perlita de un acero con el $0{,}2\,\%$ de carbono y compáralo con el cálculo por la regla de la palanca. c) Deduce qué porcentaje de carbono corresponde a un acero con un $65\,\%$ de perlita.

Las fundiciones blancas ($3{,}5\,\%$ de C, con todo el carbono combinado como cementita) no se pueden forjar ni laminar, mientras que un acero con el $0{,}2\,\%$ de C se deforma en caliente sin dificultad. Analiza la razón microestructural (red de cementita frágil frente a matriz de ferrita dúctil) y explica por qué, en cambio, la fundición fluye muy bien al verterla en moldes de arena: qué tiene que ver su composición con el punto eutéctico ($4{,}3\,\%$ de C, $1\,147\ ^\circ\text{C}$).

Explica paso a paso la transformación eutectoide al enfriar una austenita con el $0{,}77\,\%$ de carbono por debajo de $727\ ^\circ\text{C}$: por qué el carbono debe redistribuirse por difusión (la ferrita apenas admite carbono y la cementita necesita mucho), cómo esa redistribución produce la estructura laminar de la perlita y por qué un enfriamiento algo más rápido afina las láminas y endurece el acero. Conecta esta idea con lo que ocurre en los tratamientos térmicos cuando el enfriamiento es brusco.

Un fabricante quiere un acero que, enfriado lentamente, presente aproximadamente un $25\,\%$ de ferrita y un $75\,\%$ de perlita. a) Plantea la regla de la palanca a la inversa y calcula el contenido de carbono necesario. b) Clasifica el acero resultante y cita una aplicación típica. c) Calcula el intervalo de carbono admisible si la fracción de perlita debe quedar entre el $70\,\%$ y el $80\,\%$.

El diagrama hierro-carbono de uso práctico es en realidad el diagrama metaestable hierro-cementita: la cementita puede descomponerse, con tiempo y en presencia de silicio, en hierro y grafito. Explica qué es una fase metaestable, cómo aprovechan las fundiciones grises esa descomposición (grafito en la microestructura, que mejora el mecanizado y amortigua vibraciones) y por qué las fundiciones llevan silicio añadido.

Se analizan tres piezas de acero al carbono de composición desconocida: la primera se dobla en frío sin romperse y su dureza es baja; la segunda ofrece dureza media con buena combinación de resistencia y ductilidad; la tercera es muy dura y apenas se deforma. Estima el intervalo de carbono de cada una razonándolo desde los constituyentes del diagrama hierro-carbono, y propón una aplicación coherente para cada pieza.

Diseña la elección del contenido de carbono para tres productos: la chapa del capó de un automóvil, el muelle de una suspensión y la hoja de un cuchillo de cocina. Para cada uno, justifica el intervalo de carbono elegido con la microestructura esperada y el tratamiento térmico posterior que previsiblemente recibirá, y comenta el compromiso dureza-tenacidad en cada caso.