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Diagramas de equilibrio de fases. Diagrama Fe-C

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Tema 3: Diagramas de equilibrio de fases.

Diagrama Fe-C


2

¿Por qué para soldar se utiliza

una aleación con 60% de Sn y 40% de Pb?


3

Aleaciones

Aleación: sólido metálico formado por la mezcla de varios elementos donde al menos uno de ellos es metálico.

Importancia tecnológica: mejoran las propiedades de los metales puros.

Las aleaciones más sencillas son las binarias.

Las más complejas pueden contener decenas de átomos distintos.


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Cuando a un metal se le añaden otros átomos puede ocurrir:

Aleaciones

Insolubles Forman compuestos Solubles

(ej.: Al-Pb, Pb-Fe, Bi-Cu)Solución sólida Compuesto

estequiométricoSolución sólida

LíquidoSólido


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Soluciones sólidas

Solución sólida: sólido homogéneo que consta de dos o más elementos dispersos atómicamente formando una única estructura cristalina.

El solvente es el elemento que conserva su estructura cristalina, que suele ser el mayoritario. El resto son solutos.

DesordenadaSustitucional

Solución sólida: Ordenada

Intersticial


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Solución sólida sustitucional (SSS)

Los átomos del solvente y del soluto ocupan posiciones equivalentes de la red cristalina.

Átomo A

Átomo B

SSS desordenada


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La formación de soluciones sólidas sustitucionales entre dos elementos se favorece si: Tienen la misma estructura cristalina. Sus radios atómicos se diferencian menos de un 15%

(para que la distorsión de la red sea pequeña). Las electronegatividades son parecidas

(para evitar la formación de compuestos). Los elementos tienen la misma valencia.

Reglas de la solubilidad de Hume-Rothery.Si no se cumplen, la solubilidad puede estar limitadaa un rango de composiciones muy estrecho.

Solución sólida sustitucional (SSS)

William Hume-Rothery


8

Ejemplo: níquel y cobre

Ni: FCCr = 1,25 Å= 1,8

Cu: FCCr = 1,28 Å= 1,9

Forman SSS para cualquier composición


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Solución sólida sustitucional ordenadaEn algunos sistemas, para algunas proporciones concretas de los componentes y bajo ciertas condiciones (ej.: rango de temperatura) se forma una SSS ordenada, es decir los átomos ocupan posiciones no equivalentes de la red cristalina.

Ejemplo: Au-Cu3 Au: FCC, r = 1,36 Å, = 2,4Cu: FCC, r = 1,28 Å, = 1,9

T < 390 ºC: ordenada

Au Cu

T > 390 ºC: desordenada

Au ó Cu


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Solución sólida intersticial (SSI)

Los átomos del soluto ocupan posiciones intersticiales de la red cristalina del solvente.

Átomo A

Átomo B


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Los átomos del soluto ocupan posiciones intersticiales de la red cristalina del solvente.

Los átomos del soluto tienen que ser mucho más pequeños que los del solvente.

La solubilidad aumenta cuanto más se parezcan el tamaño del átomo del soluto y el tamaño del intersticio.

C, N, H suelen disolverse intersticialmente.

Ejemplos: Ferrita (SSI de C en Fe-) y austenita (SSI de C en Fe-).

Solución sólida intersticial (SSI)


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Límite de solubilidadEl Cu y el Ni verifican las reglas de solubilidad de Hume-Rothery y formanuna SSS para cualquier proporción Cu:Ni.

En otras aleaciones hay una concentración máxima de átomos del soluto queadmite el solvente. Este es el límite de solubilidad.

Este límite normalmente depende de la temperatura.

Como máximo se puede disolver 40% de Zn en Cu para formar una SSS con la estructura FCC del Cu. Esto a 450 ºC (a otras T, la solubilidad es aún menor). % de Zn en pesoTe

mpe

ratu

ra (º

C)

SSS

Cu: FCC, r = 1,28 Å, = 1,9Zn: HCP, r = 1,38 Å, = 1,6

Ej.: Cu-Zn

NO forman una SSS para cualquier proporción Cu:Zn

{


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Diagramas de equilibrio de fases

• Fase: porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes.

• Diagrama de equilibrio de fases: representación gráfica de las relaciones entre la composición, estructura, fases, temperaturas, presiones, etc., de un sistema en equilibrio termodinámico.

• Nos limitaremos a diagramas de equilibrio de fases composición-temperatura en sistemas binarios.

•Microconstituyente: componente del sistema que tiene un aspecto diferenciado cuando se observa la microestructura.


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Solubilidad total: diagrama binario Cu-Ni

Al solidificar

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

Estos diagramas se llaman de solubilidad total o isomórficos binarios.


15% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

2 fases:• Líquido: solución en estado líquido Cu-Ni• : solución sólida sustitucional Cu-Ni

3 regiones:• Líquido: solución en estado líquido Cu-Ni• : solución sólida sustitucional Cu-Ni• + Líquido (L): región de coexistencia de y L

Solubilidad total: diagrama binario Cu-Ni


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Interpretación del diagrama de fases

Dadas una temperatura y una composición, el diagrama de fases permite obtener:• Las fases presentes.• La composición de cada fase.• El porcentaje de fases.

Veamos un ejemplo con lospuntos A y B del dibujo.

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

A

B


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Fases presentes

Punto A:Fase

Punto B:Fases + Líquido

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

A

B


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Composición de cada fase

Punto A:60% Ni (y 40% de Cu)

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

A

B


19

Punto A:60% Ni

Punto B (C0 = 35% Ni):CL = 32% Ni C = 43% Ni

Composición de cada fase


20

Porcentaje de fases

Punto A:100% fase

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

A

B


21

Punto A:100% fase

Punto B:WL = S / (R+S)W = R / (R+S)

WL = (43-35)/(43-32) = 0,73W = (35-32)/(43-32) = 0,27

Porcentaje de fases

73% de L (con 32% de Ni)27% de (con 43% de Ni)


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¿Qué microestructura aparece en una aleación de Cu con 35% de Ni enfriada lentamente desde 1300 ºC?

a b c d e% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

3

Desarrollo de microestructuras

MICROESTRUCTURA:

Número de fases Composición Proporción Distribución


23

a : sólo fase L (líquido) con 35% Ni.

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

3

a



24

b: empiezan a solidificar cristalitos de fase con 49% Ni.

La fase L tiene 35% Ni.

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

3

b



25

b d: la proporción de fase aumenta al enfriar. Los cristalitos aumentan de tamaño.

La composición de las fases varía: disminuye el % de Ni siguiendo las líneas solidus (fase ) o liquidus (fase L).

c: fase con 43% de Ni y fase L con 30% de Ni.

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

3c



26

d: termina la solidificación.

La fase contiene 35% Ni y

la fase L residual 23% Ni.

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

3

d



27

d e: enfriamiento del sólido sin que cambie la estructura de granos ni la composición (35% Ni).

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

3

e



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Temperaturas de fusión en aleaciones

La temperatura de fusión del Cu es 1085 ºC.

La temperatura de fusión del Ni es 1455 ºC.

¿Una aleación 70% Cu – 30% Ni a 1300 ºC es sólida o líquida?


29

Sistema de solubilidad total

Los metales puros funden a una temperatura definida, pero para cualquier aleación Cu-Ni no hay una única temperatura de fusión, sino un rango, entre la línea solidusy la línea liquidus.

% en peso de Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

NiCu

Solución sólida

Cualquier aleación Cu-Ni empieza a fundir a una temperatura intermedia a las temperaturas de fusión del Cu y el Ni.

Ejemplo: 70% Cu - 30% Nifunde entre 1200 y 1250 ºC


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Solubilidad parcial: sistemas eutécticos binarios

• Algunos sistemas binarios empiezan a fundir a una temperatura inferior a las temperaturas de fusión de sus dos constituyentes.

• Para cierta proporción de los dos componentes la temperatura de fusión del sistema es mínima: sistemas eutécticos.

Ejemplo: Pb-SnPb: FCC, radio atómico 1,75 Å, electronegatividad 1,8Sn: TC, radio atómico 1,62 Å, electronegatividad 1,8

No cumplen las reglas de Hume-Rothery

“... Eutectics are bodies made up of two or more constituents, which constituents are in such proportion to one another as to give to the resultant compound body a minimum temperature of liquefaction −that is, a lower temperature of liquefaction than that given by any other proportion…”

FREDERICK GUTHRIE: “On Eutexia” (1884)


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¿Qué fases podemos tener en este sistema? 3 fases: L, ,

al solidificar

Pb

SnLiq.

%Pb %Sn

s.s. s.s.

+

+

Rellenemos el diagrama con las fases presentes...

L

Solubilidad parcial: sistemas eutécticos binarios


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Sistemas eutécticos binarios


33

3 regiones monofásicas

: SS de Sn en Pb (mayoritario) : SS de Pb en Sn (mayoritario)



34

3 regiones bifásicas



35

Líneas solvus



36

Líneas solidus



37

Líneas liquidus



38

Punto eutéctico



39

Isoterma eutéctica



40CEC, E

TE

C, E

Reacción eutéctica


41

Líquido (CE) (C, E) + (C, E)

La solidificación de un fundido con la composición eutéctica se produce a una sola temperatura. Las fases y se separan.

(rica en Pb)Fase oscura

(rica en Sn)Fase clara

Reacción eutéctica


42

Aleación Sn-Pb de soldadura

185 ºC


43


El tipo de microestructura depende del rango de concentración

C1

C2 C4 C3

Composición hipoeutéctica Composición hipereutéctica


44

Enfriamiento de fundido con concentración C1 de Sn, inferior al límite de solubilidad del Sn en fase a temperatura ambiente.

L + L



45

Enfriamiento de fundido con concentración C2 de Sn, comprendida entre los límites de solubilidad a temperatura ambiente y a TE.

L + L +



46

Enfriamiento de fundido con concentración C3 = CE de Sn.

L +



47

Concentración C4 (CE) comprendida entre los límites de solubilidad de Sn en y de Pb en : L + L +



48

primaria

eutéctica


Concentración C4 (CE) comprendida entre los límites de solubilidad de Sn en y de Pb en : L + L +


49

30% Sn 61.9% Sn 70% Sn



50

¿Cómo se determina el % de las distintas fases y microconstituyentes?

RQPRQ

x

RQPP

x

Microconstituyentes: eutéctico y primaria

QPP

xx Le

QPQ

x

182 ºC, 35%Sn: Fases: +

Resumen


51

Sistemas con SS intermediasEj.: Latón (Cu-Zn)


52

Sistemas con compuestos intermetálicos


53

Aleaciones férreas• El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales.• Aleado con C y otros elementos es el metal más utilizado.

Inconvenientes:• Susceptibilidad a la corrosión.• Alta densidad (7,1-8,0 g/cm3).• Baja conductividad eléctrica.• Punto de fusión 1500 ºC.

Ventajas:• Abundancia de menas de Fe en la corteza terrestre.• Procesos de extracción y conformación baratos.• Versatilidad de propiedades y amplio margen de modificación por aleación o tratamientos térmicos.• Buenas propiedades mecánicas.


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Diagrama Fe-C (Fe-Fe3C)

El diagrama de fases Fe-Fe3C tiene gran importancia tecnológica, pero es más complejo que los vistos hasta ahora:

La parte útil del diagrama se limita al rango entre 0% y 6,7% de C (en peso). Para este contenido se forma el compuesto Fe3C (carburo de hierro, o cementita). Por eso se habla del diagrama Fe-Fe3C.

• Multitud de fases. • Multitud de microconstituyentes (la mayoría con nombres específicos).• Varios puntos invariantes.

Las aleaciones férreas se clasifican en dos grandes grupos según su contenido de carbono: • Aceros: < 2% C

• Fundiciones: > 2%C


55

Diagrama Fe-Fe3C

Alotropía del hierro

% peso C

100 % C

bcc

fcc

bcc0.77%

727


56

Diagrama Fe-Fe3C

L: líquido (fundido homogéneo de Fe y C)

: Ferrita: solución sólida intersticial de C en Fe- (BCC)

: Austenita: solución sólida intersticial de C en Fe-(FCC)

: solución sólida intersticial de C en Fe- (BCC)

Fe3C: cementita, compuesto estequiométrico

Fases presentes:

0.77%

727


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Puntosinvariantes

ferrita + cementita

L austenita + cementita

L+ austenita

Peritéctico

Eutéctico

Eutectoide

Enfriamiento

Calentamiento

• Son puntos en los que coexisten tres fases en equlibrio termodinámico.

• Sólo se dan para una temperatura y composición determinadas.


58

Puntos (y reacciones) invariantes

Reacción EUTECTOIDE0,77% C, 727 ºC

Reacción PERITÉCTICA0,18% C, 1492 ºC

Reacción EUTÉCTICA4,3% C, 1130 ºC

LEDEBURITA

PERLITA

L

+L L+Fe3C

+Fe3C

+L

+

austenita+

ledeburita

cementita+

ledeburita

cementita+

perlita

cementita+

perlita

cementita+

perlita

+

+ L

L + Fe3C

+ Fe3C


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Microconstituyentes de equilibrio

Cem

entita

Austenita

Ferr

ita

Perlita

Ledeburita


60

Ferrita• Solución sólida intersticial de C en Fe-, con estructura BCC.

Solubilidad a temperatura ambiente: 0,008 % de C.Solubilidad máxima: 0,025% (a 727 ºC).

• Magnética hasta 760 ºC.

• Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros:Dureza = 90 HBWRm = 280 MPa%A = 35 al 40%


61

Austenita

• Solución sólida intersticial de C en Fe-, con estructura FCC.

Máxima solubilidad 2 % (a 1130 ºC)

• Sólo es estable a T > 727 ºC.

• Es el constituyente más denso de los aceros.

Dureza = 300 HBW%A = 20-25%

•En los aceros austeníticos(aleados con Cr y Ni) esta estructura es estable a temperatura ambiente.• No es magnética.


62

Cementita

Es carburo de hierro, Fe3C(compuesto intersticial)

Estructura ortorrómbica:a=4,52 Å, b=5,08 Å, c=6,73 Å.

Es el constituyente más duro y frágil de los aceros:68 HRC ≈ 840 HV ≈ 670 HBW

Magnética hasta 210 ºC.

CFe


63

PerlitaEutectoide:86,5 % ferrita y 13,5 % Fe3C en láminas alternadas: perlita laminar.

200 HBWRm = 800 MPa%A = 15 %


64


Composición eutectoide: 0,77% C

Microestructura perlítica: el C de la fase se distribuye por difusión entre las fases (menor %C) y Fe3C (mayor %C), formando láminas adyacentes:


65


Hipoeutectoide: < 0,77% C

Acero con 0,38% de C

Ferrita

Perlita


66


Hipereutectoide: > 0,77%

Acero con 1,4 % de C

Perlita

Fe3C


67

Alotropía

Resumen

1539 ºC

1400 ºC

910 ºC

Aceros Fundiciones

Reacción EUTÉCTICA a

1130 ºCL + Fe3C

(LEDEBURITA)

ReacciónEUTECTOIDEa 727 ºC

+ Fe3C(PERLITA)

Reacción PERITÉCTICA + L

(AUSTENITA)

(FERRITA)

0.77%

727


68

Identificar en el diagrama de fases Fe-Fe3C

• Aceros y fundiciones• Fases: L, (ferrita), (austenita), , Fe3C (cementita)• Línea liquidus: temperaturas de fusión• Punto eutéctico (4,3 % C, 1130 ºC) ledeburita• Máximas solubilidades del C en Fe- y en Fe-• Punto eutectoide (0,77 % C, 727 ºC) perlita• Ao = 210 ºC: temperatura de Curie del Fe3C• A1 = 727 ºC: límite superior de la perlita• A2 = 760 ºC: temperatura de Curie de la ferrita• A3: límite de la ferrita (910 ºC 727 ºC)• ACM: límite de la cementita (727 ºC 1130 ºC)

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