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Diagramas de Fase
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DIAGRAMAS DE FASE
Objetivos
• Trazar y describir diagramas de fase en metales • Localizar temperaturas, composiciones, puntos eutécticos,
eutectoides, peritécticos y describir sus reacciones • Especificar e identificar aceros hipo-, hipereutectoides, ferrita,
perlita y cementita
Fases
Fase: porción homogénea en un sistema. Tiene características físicas y químicas uniformes. Ejemplo: Hielo, Agua y Vapor tienen 3 fases con propiedades físicas diferentes.
Fases
• Solubilidad: Máxima concentración a la cual una solución puede existir. • Limite de solubilidad: Máxima concentración a la cual existe una sola solución
Fases y Componentes • Componentes: Los elementos o compuestos presentes en la aleación (ej., Al y Cu) • Fases: 2 fases (a y b)
Aleación de aluminio - cobre
fase a
fase b
Temperatura y composición
A->B: Cambio de salmuera a salmuera + sal
A
B
Criterios para una solubilidad sólida
Estructura Cristalina
electroneg r (nm)
Ni FCC 1.9 0.1246
Cu FCC 1.8 0.1278
Factores que influyen en la solubilidad: • Radio atómico • Estructura cristalina • Electronegatividad • Valencia
Ni y Cu son totalmente solubles para todas las proporciones
Diagramas de fase (Cu-Ni) Sistemas binarios isomorfos
Equilibrio: estado mínimo de energía para una T, P y composición determinada. Una fase en equilibrio no cambia en el tiempo.
Determinación de fases presentes
45%Ni / 55%Cu en peso @1300°C 2 fases: L + a
Fase L: ~44% Ni Fase a: ~56% Ni % de Fase L: = 92% de L % de Fase a: = 8% de a
Microestructura en aleaciones
Enfriamiento lento (en equilibrio) C0 = 35 wt% Ni T>1260°C: líquido T~1260°C: se forman sólidos a
T=1250°C: L + a
T~1220°C: solidificación T<1220°C: Fase a (35%Ni)
Enfriamiento en no equilibrio
Enfriamiento lento (en equilibrio) C0 = 35 wt% Ni T>1260°C: líquido T~1260°C: se forman sólidos a
T=1250°C: sólidos formados mantienen la misma composición. Se forman sólidos alrededor. T~1220°C: solidificación, cambios en composición por difusión T<1220°C: Fase a, segregación de fases
Primero a solidifica: 46 wt% Ni
ultimo a solidifica: < 35 wt% Ni
Comparación equilibrio - no equilibrio
• Ca cambia a medida que se solidifica la fase L • Caso Cu-Ni Primer a solidifica con Ca = 46 wt% Ni Último a solidifica con Ca = 35 wt% Ni Enfriamiento lento Enfriamiento rápido Estructura en equilibrio Estructura nucleada
Uniforme Ca:
35 wt% Ni
Sistemas binarios eutécticos
fácil fundición
3 regiones (L, a, b)
Solubilidad limitada T<TE: sólido CE: composición a temperatura TE Reacción eutéctica: enfriamiento
calentamiento Ag) wt%9.71(L Ag) wt%1.29( Ag) wt%.08( ba
Microestructura en sistema eutécticos
a: líquido b: fase a + líquido composición según isoterma c: fase a (sólo sólido) Resultado: a policristalino sólido
Microestructura en sistema eutécticos
d: líquido e: fase a + líquido composición según isoterma f: fase a (sólo sólido) g: fase a + b (a no puede disolver suficiente Sn y b precipita) Resultado: a policristalino sólido con cristales b.
Microestructura en sistema eutécticos
h: líquido i: reacción eutéctica Ca = 18,3 wt% Sn; Cb = 97,8 wt% Sn
Estructura Laminar Eutectica (Lamellar Eutectic Structure)
Microestructura en sistema eutécticos
j: líquido k: fase a + líquido composición según isoterma l: fase a + líquido composición según isoterma m: líquido restante se transforma en estructura eutéctica Resultado: a primario y estructura eutéctica.
Hipoeutectoide e hipereutectoide
L + a L + b
a + b
200
C, wt% Sn 20 60 80 100 0
300
100
L
a b
TE
40
(Pb-Sn sistema)
Adapted from Fig. 9.8, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 10.8 adapted from Binary Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 3, T.B. Massalski (Editor-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.)
160 mm
eutectic micro-constituent Adapted from Fig. 9.14, Callister & Rethwisch 8e.
hypereutectic: (illustration only)
b
b b
b b
b
Adapted from Fig. 9.17, Callister & Rethwisch 8e. (Illustration only)
(Figs. 9.14 and 9.17 from Metals Handbook, 9th ed., Vol. 9, Metallography and Microstructures, American Society for Metals, Materials Park, OH, 1985.)
175 mm
a
a
a
a a
a
hypoeutectic: C0 = 50 wt% Sn
Adapted from Fig. 9.17, Callister & Rethwisch 8e.
T(ºC)
61.9 eutectic
eutectic: C0 = 61.9 wt% Sn
Compuestos intermetálicos
Congruente: no hay cambio en composición
Incongruente: cambio en composición
Compuestos discreto en vez de soluciones
eutéctico
Fases intermedias (b,g,d,e)
eutectoide d <-> g + e
1 fase sólida en 2 fases sólidas
peritéctico d + L <-> e
1 fase sólida y líquida en otra fase sólida
Ley de Gibbs
𝑃 + 𝐹 = 𝐶 + 𝑁 P: # de fases presentes; F: grados de libertad (T, P, C);
C: # de componentes; N: # de variables (no composicionales, T o P)
C=2, N=1 si P=1 -> F=2 si P=2 -> F=1
Sistema Hierro-Carbón
líquido Tm
sólido
T (°C)
líquido a-Fe(BCC) g-Fe (FCC) a-Fe(BCC)
1538 -- 1394 -- 912 --
T (°C) – Fe(alótropo y polimorfo)
24
Pto. eutéctico
Pto. eutectoide
Enfriamiento eutectoide
- Eutectoide (B):
g(0,76 wt% C) a(0.022 wt% C) +
Fe3C (6,7 wt% C)
Result: Pearlite = alternating layers of a and Fe3C phases
120 mm
Acero hipoeutectoide
ferrita proeutectoide perlita
100 mm
acero hipoeutectoide
%perlita % a pro- eutectoide
%perlita % cementita proeutectoide
Acero hipereutectoide
proeutectoide Fe3C
60 mm
acero hipereutectoide
perlita
Aleaciones Con Otros Elementos
• Cambios Teutectoide:
Adapted from Fig. 9.34,Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.34 from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 127.)
T Eu
tect
oid
(ºC
)
wt. % of alloying elements
Ti
Ni
Mo Si
W
Cr
Mn
• Cambios Ceutectoide:
Adapted from Fig. 9.35,Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 9.35 from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 127.)
wt. % of alloying elements
C e
ute
cto
id (
wt%
C)
Ni
Ti
Cr
Si Mn
W Mo
Resumen
29
• Los diagrama de fase son útiles para determinar: 1. el número y tipo de fases presentes, 2. la composición de cada fase, 3. la fracción de peso para cada fase.
Dados las temperaturas y la composición del sistema. • La microestructura de una aleación depende de -- Su composición, y -- Si la velocidad de enfriamiento mantendrá el equilibrio • Los diagramas de fase y de transformación incluyen eutéctico, eutectoide, and peritéctico.