DIAGRAMA DE FASES -- CLASE OFICIAL.pdf

8/18/2019 DIAGRAMA DE FASES -- CLASE OFICIAL.pdf

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DIAGRAMA

DE EQUILIBRIO O DE FASES

Mg. LUIS R. LARREA [email protected]


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3/83

Ejemplo de Diagrama de Fases de Equilibrio Binarios

(

Sistema

con

Dos

Componentes

)


4/83

Las composiciones de las fases en el interior de una región se

determinan

mediante

una

línea

a

Temperatura

constante

.

L

L + SS

Composicióndel sistema

A B

SS

X1

Composición

de SS a T1

Temperatura

del sistemaT1

Composición

de L a T1

Punto

de estado


5/83

REGLA DE FASES

Una fase es una porción de microestructura

homogénea desde el punto de vista químico y

estructural

.

Por

ejem

.

El

agua

tiene

3

fases

:

hielo,

agua

y

Vapor

.

El número de variables que podemos modificar

libremente

(temperatura,

presión,

concentración,

etc

.

),recibe

el

nombre

de

grados

de

libertad

.



6/83

Los

grados

de

libertad

son

el

número

de

variables

independientes

del

sistema

Estas

variables

de

estado

viene

dada

por

la

reglade

las

fases

de

Gibbs

,

se

expresa

como

:

F

=

C

–

P

+

2

(

cuando la Temperatura y Presión pueden variar

)

Donde

F

es

el

número

de

grados

de

libertad,C

es

el

número

de

componentes

.

P

el

número

de

fases

.

F = C – P + 1 (

para Presión constante)



7/83

Ejemplo: Fases regulada por las variables Presión - Temperatura del aguapura.

En el punto triple. Coexisten tres fases en equilibrio:

sólido, líquido y vapor, por lo tanto el numero decomponentes es uno debido que solo se trata de agua.El número de grados de libertad será:

F = C – P + 2 ; F = 1 – 3 + 2 ; donde F = 0

En el punto A, de la curva Sólido - Líquido,coexisten dos estados, por lo tanto El número de

grados de libertad será: F = 1 – 2 + 2 ; de donde

F = 1.

En un punto cualquiera B, dentro de una fase única, se tiene que el número de fases es unoy aplicando la regla, será: F = 1 – 1 + 2 ; de donde F = 2.



8/83

Aquí observamos la Aplicación de las fases de Gibbs a distintos

puntos del diagrama de fases de la figura , cuando la Presión

es constante.

F = 2 – 1 + 1F = 2

F = 2 – 2 + 1F = 1

Temperatura

ComposiciónA B

F = 2 – 1 + 1

F = 2

F = C – P + 1

Donde F es el número de grados de libertad, C es el número de

componentes y P el número de fases.


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SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SÓLIDO

En el grafico mostrado la fase líquida se identifica mediante una L y la soluciónsólida se designa mediante SS. Nótese que la región de coexistencia de dos

fases está referenciada por L + SS.

Temperatura

de fusión de B

Líquidos

L

L + SS

SòlidusSS

Temperatura

de fusión A

T e m p e r a t u r a

0 20 40 60 80 100 % en peso de B

100 80 60 40 20 0 % en peso de AComposición ( % en peso )

A B


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En el diagrama de Fase se observa un punto D, el cual se encuentra en unestado Bifásico en el que coexisten la fase Solida y otra fase Liquida L.

Línea de Liquidus: es la línea superior del diagrama;marca la transición entre la fase Liquida y la fase Liquida + Solido

Línea de Solidus: es la línea inferior del diagrama; representa la transiciónentre la fase Liquida + Solido y la fase solida.

L


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La línea de sólidos y líquidos divide el

diagrama en tres zonas. En cada punto

de una determinada zona, cada fase está

perfectamente definida.

Si analizamos lo que sucede en una

aleación de 70 % de A y 30 % de B .

1. Se traza una perpendicular a - e por la concentración A-B 70 % - 30%.

2. Por debajo de bS todo está en la fase sólida, por encima de dL todo se encuentra en la faselíquida.

Por ejemplo: observamos que las concentraciones de cada fase se observa en el punto c, alcortar las líneas de sólido y líquido respectivamente: CL representa la concentración de líquido,que es el 42 % de A y 58% de B. CS la concentración de sólido, del 80 % de A y del 20 % deB.


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Debes recordar que lacomposición química del solido yliquido puede determinarse por laRegla de la Palanca, trazando una

isoterma que pasa por el punto Dy que corte las líneas de Fase,determinándose de esta manera lacomposición y cantidad de cadauna de las fases presentes C

y

CL

Para determinar la regla de la Palanca llamaremos W

fracción en peso de lafase solida en el punto D y W

Lfracción en peso de la fase liquida en el mismo

punto


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Regla Nº 1: Conocidos T y Co:

- Se determina cuantas y cualesfases están presentes.

Determinación de fases presentes

% Ni20 40 60 80 1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

T (°C)

L (líquido)

20406080100 0% Cu

(1100, 60)

(1100, 60) : α

(1250, 35) : L + α

α (Sólido)



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% peso

Ni

20

1200

1300

T(°C)

30 40 50

43

35

32Co

CL C

TA

TD

TB

A

D

B

Regla Nº 2: Conocidos T y Co:- Se determina la composición de

cada fase

T A = 1320 °C

Estado: líquido ( L )CL = C0 (35 % en peso de Ni)

TB = 1250 °CEstado:

+ L

TD = 1190 °C

Estado: sólido (

)

C = C0 ( 35 % en peso de Ni)

CL = C liquidus ( 32 % en peso de Ni )

C

= Csolidus

( 43 % en peso de Ni )

Composición de fases presentes


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% peso

Ni

20

1200

1300

T (°C)

30 40 50

43

35

32Co

CL C

TA

TD

TB

A

D

B

Regla Nº 3: Conocidos T y Co- Se determina la cantidad de cada fase

Composición de fases presentes

T A: Solo LWL = 100 % en peso, Wα = 0

TD: Solo αWα = 100 % en peso, WL = 0

TB: α + L

W =Co

CL

C

CL

WL=C

Co

C CLREGLA DE

LA PALANCA


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La región entre las líneas liquidus y solidus , existen fases

líquidas como sólidas. La cantidad de cada fase presente

depende de la temperatura y de la composición química de la

aleación. Considerando una aleación de 58 % en peso de Ni –

45 % en peso de Cu a 1300ºC , segun la fig.2.5.Las composiciones de las fases pueden determinarse trazando

un línea de enlace horizontal a 1300ºC desde la línea de liquidus

hasta la línea de solidus, y luego trazando líneas verticales hacia

el eje horizontal de la composición.

Sistema de Cobre -Níquel



18/83Sistema de cobre-níquel


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Dibuje un diagrama de equilibrio de dos componentes cualesquiera A

y B, a las temperaturas de 1000 ° C y 1300 ° C. En la región bifásica

situé un punto a la composición del 45 % del componente A y a la

temperatura de 1100 ° C.

Se pide:


20/83


F = C – P + 2


21/83


22/83


23/83


24/83

Determinar:

a) Las fases presentes en cada una de las regiones que

atraviesa, teniendo en cuenta la isoterma que atraviesa.

b) Relación de fases y pesos de las mismas a 1250° C para una

aleación de 600 kg.

EJER I IOS

1. Con el diagrama de equilibrio

Cu - Ni. Determinar para unaaleación con el 40 % de Ni:


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Solución:

a) Por encima de 1250 °C toda la aleación está en estado líquido (1 fase).

Por debajo de 1250 °C toda la aleación ha solidificado en forma de

solución sólida (1 fase).

40


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b) Aplicando la regla de la

palanca podremos calcular

la Relación de fases y pesos

a 1250° C para una aleación

de 600 kg.

WS =

C

- C0

C

- CSW

C0

- CS

C

- CS

=

C

C

40

C0

W

C0 - CS

C

- CO

=WS

= 40 - 48

32 - 40 =

- 8

- 8 = 1 Relación de fases

Por lo tanto: m

m

S

=

600 Kg

Luego : m

=

300 Kg ; m

S

=

300 Kg


27/83

a) Numero de fases presente que experimenta al enfriarse lentamentedesde el estado líquido hasta la temperatura ambiente.

Haciendo uso del diagrama Bi - Sb. Calcular para una aleación con45 %, 20% y 10% de Sb:


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DIAGRAMA EUTÉCTICO CON SOLUBILIDADTOTAL EN ESTADO SÓLIDO

A temperaturas relativamente bajas existe una zona decoexistencia de dos fases para los sólidos puros A y B.

La reacción Eutéctica es una transformación de Solidificaciónen el cual se solidifica un liquido para formar de manerasimultánea dos fases Sólidas .


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Diagrama de Fases Binario eutéctico que muestra una

insolubilidad Total en estado sólido.

Temperatura

de la eutéctica

Composición

de la eutéctica

A B

SólidusA + B

A + LL + B

Líquidus

L

T e m

p e r a t u r a

No olvidar que la reacción Eutéctica es una transformación de Solidificación por medio del cual se solidifica un liquido para formar de manera simultánea dos fases

Sólidas .



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Diagrama Eutéctico con SolubilidadParcial en estado sólido

El diagrama binario eutéctico con solubilidad Parcial en estado sólido, tiene

la única diferencia respecto al Diagrama de fases binario eutéctico con

insolubilidad Total es la presencia de las regiones de solución sólida

y

A BComposición

T e m p e r a t u r a

+ L

+

L +

L



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Llevando estos datos a un diagrama de

Temperatura - Concentración y

uniendo los puntos de característicasiguales resulta el diagrama de

equilibrio de la figura.

Por encima de los puntos (1) todas las

aleaciones están en estado líquido. Por debajo de los puntos (3) las aleacionesson totalmente sólidas.

Este grafico nos permite conocer la

aleación de punto de fusión más bajollamada eutéctica.

C


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En el siguiente diagrama de Fases Cu-Ag, determinar :

a) El rango de aleaciones que sufr irán la transformación eutéctica, a una

isoterma de 780 °C.

b) Para una aleación con el 30% de Ag, calcule las composiciones y proporción

de fases presentes a 900 °C y a 500 °C.

) C l l l d l i f i l f i i


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a) Calculamos el rango de aleaciones que sufr irán la transformación eutéctica, auna isoterma de 780 °C.

Solución:Sufren transformación eutéctica todas las aleaciones que durante elenfriamiento, cortan a la isoterma eutéctica a 780 °C. Por lo tanto el rango de

aleaciones va desde 7.9 % Ag hasta 91.2 % Ag.


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A 500°C:La aleación ya es sólida, y se

encuentra en la zona bifásica de

+

.

por lo tanto los puntos de corte de la

isoterma a 500°C separan lasrespectivas zonas monofásicas: por

la izquierda y por la derecha, el cual

nos da la composición de cada fase.

A partir de los valores de composición

pueden calcularse las proporciones decada fase, aplicando la regla de la

palanca:

+

WS

=C

- C0C

- CSW

C0 - CS

C

- CS

=


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Para la aleación plomo-estaño, del 30% en peso de plomo, cuyo

diagrama de equi l ibrio se representa en la figura siguiente, calcular

a 100 °C:

a) La cantidad relativa de cada fase presente.

b) El porcentaje de Plomo – Estaño, cuyo % de referencia solida esla del punto eutécticos, a la misma Temp.

a) Calculamos la cantidad relativa de cada fase presente y utilizando la


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a) Calculamos la cantidad relativa de cada fase presente y , utilizando laregla de la palanca, Para la aleación plomo-estaño, del 30% en peso deplomo a 100 °C:

30

WS

= 0.739 % W

= 0.260 %

WS

=C

- C0C

- CS

W

C0 - CS

C

- CS

=

b) El t j d Pl E t ñ % d f i l id


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b) El porcentaje de Plomo – Estaño, cuyo % de referencia sol ida es la del punto eutécticos, a la misma Temp.

A BComposición T e m p e r a t u r a

+ L

+

L +

L

70WS

=C

- C0C

- CS

W

C0 - CS

C

- CS

=

Di Hi

C b


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Diagrama Hierro-Carbono

LIQUIDO

SÓLIDO

E NF

RI AMI E NT O DE L HI E RR O

ALEACIONES HIERRO-CARBONO


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ALEACIONES HIERRO CARBONO

COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA.El hierro puro tiene pocas aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el

carbono y otros elementos, es el metal más empleado en la industria. Las aleaciones

con contenidos de carbono entre 0,1 y 1,67 % son los aceros. Si el porcentaje decarbono sobrepasa el 1,67% tenemos las fundiciones.

Las fases en las que se puede encontrar la aleación Hierro-Carbono dentro del diagramade equilibrio en su estado alotrópicos son:

Ferrita: solución sólida de carbono en hierro α. Se considera a la ferrita

como hierro puro. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros, posee propiedades magnéticas. Se encuentra presente por debajo de los

723 ºC y en os aceros Hipoeutectoides en el rango de 723 ºC y 910 ºC

aproximadamente.

Cementita (Fe3C): es el constituyente más duro y frágil de los aceros.Tiene propiedades magnéticas hasta los 210ºC.

Perlita: Es la estructura resultante de la solidificación de los aceroseutectoides, también se presentan en los hipo e hipereutectoides, a la ves

esta formada por 85,5% de Ferrita y 13,5 de Cementita.


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Austenita: formada por una inserción de carbono en hierro γ. Es elconstituyente más denso de los aceros. No es magnética. Estecomponente aparece a los 723 ºC, por debajo de esta Temp. La Austenita

se transforma en Perlita y su proporción de carbono disuelto varía de 0 al

1,67%.

Ledeburita: La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de lasfundiciones. Se forma al enfriar una fundición líquida de carbono desde

1130 ºC, siendo estable hasta 723 ºC, descomponiéndose a partir de estatemperatura en ferrita y cementita.

La Martensita: Se obtiene mediante el enfriamiento de la Austenita.



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ANÁLISIS DEL DIAGRAMA Fe-C

1) La línea ACD es la línea de

liquidus a partir de la cualempiezan a solidificar lasaleaciones. La línea AECF esla línea de solidus indica lastemperaturas pertenecientesal final de la solidificación.

2) En el diagrama se puedendestacar los puntos:

• Punto A es la temperaturade solidificación del hierro enestado puro.

• Punto C representa laaleación eutéctica 4,3% decarbono, compuesta poraustenita y cementitaformando la ledeburita.


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Como ya sabemos el acero es una aleación de hiero y carbono enproporciones definidas.

Concretamente los aceros tendrán entre el 0.008 % y el 1.76 % deC, distinguidos entre:

1) Hipoeutectoides: entre 0.008 % y 0.89 % de C.

2) Eutectoides: con el 0.89 % de C

3) Hipereutectoides: entre 0.89 % y 1.76 % de C

DIAGRAMA Fe

C


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DIAGRAMA Fe-C

Aleaciones en diagrama Hierro

-

Carbono


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Aleaciones en diagrama Hierro-Carbono

Acero eutectoide


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53/83

Reacciones

más importantes en los diagramas de fases


54/83

Reacciones más importantes en los diagramas de fases


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a) ¿En que se diferencia una reacción eutéctica de una reacción eutectoide?


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a) ¿En que se diferencia una reacción eutéctica de una reacción eutectoide?b) Ambas transformaciones: ¿se dan a una sola composición ? ¿y a una sola

temperatura? ¿pueden darse en determinados intervalos de composicióny/o temperatura?

Solución:a) La diferencia esta en que la transformación

eutéctica parte directamente del estado liquido y

pasa al solido y la eutectoide parte del estado

solido y pasa a otro estado solido diferente

b) Las transformaciones si se dan en una sola composición, aunque diferente entre ellas.También se dan a una sola temperatura.

No pueden darse en determinados intervalos de composición y/o temperatura, ya que son

puntos característicos de unas determinadas composición y temperaturas.


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Aleaciones Hipoeutécticas e Hipereutécticas

(FUNDICIONES)

Las aleaciones en composiciones entre 19 y 61.9 % de de Sn seconocen como aleaciones Hipoeutécticas, es decir aleaciones quecontiene menos de la cantidad eutécticas de estaño. Aquella quese encuentra a la izquierda del punto eutéctico.

Aquella que se halla a la derecha del punto eutéctico es unaaleación Hipereutécticas con una composición eutéctica entre61.9 y 97.5 %


REPRESENTACIÓN DIAGRAMA Fe-C


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REPRESENTACIÓN DIAGRAMA Fe C


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63/83


64/83


65/83


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Diagrama de fase eutéctico binario


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L+ L+

+

200

T(°C)

18.3

% Sn

20 60 80 1000

300

100

L (líquido)

183°C

61.9 97.8

En el siguiente Diagrama se tiene una Aleación 40 % en peso Sn – 60 % en peso Pb a

150°C. Determinar Composición de las fases y

+

- Cantidad relativa de cada fase

150

40

C0

11

C

99

C

C

= 11 % Sn

C

= 99 % Sn

W

=C

- C0C

- C

= 99 - 40

99 - 11

= 59

88

= 0.67

W

C0 - C

C

- C

=

= 29

88= 0.33=

40 - 11

99 - 11

- Fases presentes

Diagrama de fase eutéctico binario


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W C0 - C)

P t j

F

Li id


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30

C0

W

0

C

- C

=

= = 25.2 %=30 – 19.2

61.9 – 19.2W

0.252

Calculamos los Kilogramos de liquido que son introducidos al crisol ala Temp. 183 ºC

Calculamos 12 Kg * 0.252 = 3.02 Kg

a) Porcentaje en Fase Liquida:

b) Calculamos la Temp. que debe llegar el Horno para que la masa se

funda:

Según como se observa en lagrafica con el 30 % en Sn, laTemp. Que debe alcanzar laaleación debe de ser : 262.5 ºC.

La temperatura mas baja a laque se fundirá una aleación Pb-Sn será la eutéctica, es decir a183 ºC, que deberá tener unaproporción de estaño de 61.9 %


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Calcula las cantidades de la

ferrita que está presente en la

perlita, sabiendo que la perlita

debe contener 0,77 % de C.

Señalamos en el diagrama el punto correspondiente a0,77 % de C, que debe contener perlita, y aplicamos laregla de la palanca.


73/83

Observa el siguiente diagrama de fases de la aleación Pb-Sn y responde al i i t ti


74/83

las siguientes cuestiones:

a) En una aleación de composición 40 %

de Sn, ¿cuál es la variación detemperatura mientras dura el

proceso de solidificación?

b) ¿Cuál es la composición de la aleación

de punto de fusión más bajo? ¿Qué

nombre recibe? ¿Qué sucede con latemperatura durante el proceso de

solidificación de esta aleación?

c) Calcula el número de fases y su

composición para una aleación 35 %de Sn y de Pb a las temperaturas de

150 y 250 °C

Mg. LUIS R. LARREA COLCHADO

[email protected]


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a) Inicio: 247 °C

Final: 175 °C.b) 6 3 % S n . 37 % P b . ;

Aleación eutéctica. ; La

temperatura permanece

constante.c) 1 fase sólida: 35 % Sn y 65

% Pb.

2 fases: - líquida, 38 % Sn y

62 % Pb. - líquida, 13,5 %Sn y 86,5 % Pb.


Calcula las cantidades relativas y composiciones las fases en una aleación Fe-C de 1 % de C

726 °C d U l l d


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y 726 °C de temperatura. Utiliza el siguiente diagrama:

Las fases son ferrita (hierro a) y cementita (Fe3C):

• Ferrita: 0,0218 % Y • Cementita: 6,67 %


77/83

Una pieza de acero de 50 Kg contiene 800 g de carbono. Se pide:


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• ¿De qué tipo de aleación se trata?.

• ¿Cuáles son sus constituyentes y su estructura a temperatura ambiente?

• ¿Cuál es su densidad a temperatura ambiente, sabiendo que la densidad del hierro “α”

es de 7,87 g/cm3 y la de la cementita “Fe3C” de 7,54 g/cm3?.

a) Calculamos en primer lugar el porcentaje de carbono que posee:

%6,1100000.50

800

% ==C Por tanto se trata de un acero

hipoeutectoide.

b) A partir del diagrama calculamos los constituyentes y su composición oestructura:

)%33,93,%67,6%(24%

)%100,%0(%7610067,6

6,167,6%

FeC Cementita

FeC Ferrita

=

=-

=

) C ál d id d ( ) bi


79/83

c) Cuál es su densidad ( ρ) a temperatura ambiente,sabiendo que la densidad del hierro “ ” es de 7,87g/cm3 y la de la cementita “Fe3C” de 7,54 g/cm

3?.será:

)()( 3C Fe +=


379,7

24,054,776,087,7

cm

gr

x x

=

+=

Una fundición de composición eutéctica (4 %C) se enfría lentamente desde 1200 ºC hastala temperatura ambiente. Calcula:


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pa) Las fracciones de A u s t e n i t a ( ) y C e m e n t i t a (F e 3 C) que contendrá la aleación cuando

se halle a una temperatura justo por debajo de la eutéctica (1130 - ΔT).b ) L a s c a n t i d a d e s r e l a t i v a s d e A u s t e n i t a ( ) y las distintas clases de C e m e n t i t a (F e 3 C)

que contendrá la fundición a una temperatura justo por encima de la eutectoiude(723 + ΔT).

c ) L a s c a n t i d ad e s r e l at i v as d e t o d o s l o s m i c r o c o n s t i t u y en t e s c u a n d o l a f u n d i c i ón s e h a l l e

a u n a t e m p e r a tu r a j u s t o p o r d e b a j o d e l a eu t e c t o i u d e (723 - ΔT).

a) A la temperatura por debajo de la eutéctica la fundición se encuentra

en un campo bifásico Austenita y Cementita de composición:

%5,41%

%5,5810011,267,6

467,6%

=

=

-

-=

eutecticaCementita

Austenita •Ambas no aparecen de forma aisladasino formando un compuesto eutécticodenominado ledeburita

b) A una temperatura justo por encima de la eutectoide la aleaciónpermanece en el mismo campo bifásico de composición:


81/83

%8,53%

%2,4610089,067,6

467,6%

=

=

-

-

=

total Cementita

Austenita

permanece en el mismo campo bifásico de composición:

Se observa que la cementita aparece de dos formas: como cementita eutéctica

(41,5%) y como cementita proeutectoide (12,3%), que será la diferencia entre la

cementita total (53,8%) y la eutéctica (41,5%)

c) A una temperatura por debajo de la eutectoide tendremos dos fases,Ferrita y Cementita de composición:

%85,59%

%15,4010002,067,6

467,6%

=

=

-

-

=

Cementita

Ferrita


82/83

Se observa por tanto que ha ido aumentando la cantidad de cementitaya que ahora se ha creado la cementita eutectoide asociada a laferrita (perlita):

%05,6%5,41%3,12%8,59

)()()()( 3333

=--=

--= eutécticaC Feide proeutectoC Fetotal C FeeutectoideC Fe


%8,53%

%2,4610089,067,6

467,6%

=

=

-

-

=

total Cementita

Austenita

%85,59%

%15,4010002,067,6

467,6%

=

=

-

-=

Cementita

Ferrita


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