Tema 8 - Diagramas de Fase III Fe-C

Tema 8. Diagramas de fase (III): Diagrama de Fases del Sistema Fe-C

Contexto de la leccin en la asignatura

Bloques

I. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de Materiales

II. Estructura, disposicin y movimiento de los tomos.

III. Control de las propiedades mecnicas y de la microestructura

IV. Materiales de ingeniera y sus propiedades

Propiedades

ProcesadoEstructura

Funcin

Ciencia de los Materiales

Estudia las relaciones entre estructura y procesado de los materiales.

Ingeniera de los Materiales

Diseo de la estructura para conseguir propiedades especficas.

Estructura

Propiedades

Procesado

Funcin

Contexto de la leccin en la asignatura

Diagrama de Fases (III) Fe-C

Objetivos generales: Conocer las fases existentes en el diagrama de

equilibrio de este sistema. Predecir el comportamiento y las caractersticas del

sistema Fe-C cuando ste es enfriado en condiciones de equilibrio.

Conocer las caractersticas de los microconstituyentes eutectoide, eutctico y peritctico en el sistema Fe-C.

Diagrama de Fases (III) Fe-C ndice:

Alotropa del hierro. Diagramas de fases Fe-C. Fases y microconstituyentes de los aceros en equilibrio. Desarrollo de microestructuras en aleaciones Fe-Fe3C:

Aceros eutectoides, hipoeutectoides e hipereutectoides. Microconstituyentes eutcticos y peritcticos

Influencia de otros elementos de aleacin en las transformaciones eutectoides.

Propiedades mecnicas de aceros enfriados en equilibrio segn sus contenidos de C.

Gras prtico de Astilleros

102 m

14 m

600 Toneladas

Diagramas de fases Fe-C: importancia

Componente: Fe puroFases: Fe vapor (gaseoso)

Fe fundido (lquido)Fe , Fe y Fe (slidas)

Variables: presin y temperatura

Diagramas de fases Fe-C

N de tomos = 2( 0, 0, 0 )

( , , )N coordinacin = 8

P. reticular = 2,8664 A

N de tomos = 4(0,0,0) ,

(0, , ) , (, ,0) , (,0, )

N coordinacin = 12P. reticular = 3,639 A

Transformacin alotrpicaMecanismo clsico de

nucleacin y crecimiento

Nde tomos = 2( 0, 0, 0 ) ,

( , , )N coordinacin = 8P. reticular = 2,93 A

Transformacin alotrpicaMecanismo clsico de

nucleacin y crecimiento

Fusin del

hierro puro

Fe Fe Fe

BCC FCC BCC

1388 C913 C 1538 C20 C

Fase PrimariaFase Terciaria Fase Secundaria770 C-273 C

FePeso atmico = 55,847Nmero atmico = 26 (Tamb) = 7,9 gr/cm3

A presin atmosfrica

1. Alotropa del Fe

Presin atmosfrica

al mezclar el Fe con tomos de C, las temperaturas de transicin cambian

1. Alotropa del Fe

0,77%C, 727CFe Fe + Fe3C

Reaccin eutectoide

0,17%C, 1495CFe + L Fe

Reaccin peritctica

4,30%C, 1148CL Fe + Fe3C

Reaccin eutctica

Lmite mximo de solubilidad del C en Fe

Lmite mximo de solubilidad Lmite mximo de solubilidad del C en Fe

PUNTOSCRTICOS

DELDIAGRAMA

Compuesto intermetlico

2. Diagramas de fases Fe-C

FASES SLIDAS del DIAGRAMA

Ferrita Austenita Ferrita Cementita

Descripcin Solucin slida de C en Fe Solucin slida

de C en Fe Solucin slida

de C en Fe Fe3CEstructura cristalina BCC FCC BCC -

Solubilidad (%C) 0,022 2,11 0,09 6,67

Comentarios Fase terminal Fase terminalFase terminal

Sin inters industrial

Compuesto intermedio

MetaestableCermica

Propiedades mecnicas Blanda y dctil - - Dura y frgil

2. Diagramas de fases Fe-C

El radio atmico del hierro es casi el doble que el del carbonoqu lugares ocupar el C en la red del Fe?

FePeso atmico = 55,847Nmero atmico = 26Radio atmico = 0,124 nm

CPeso atmico = 12,011Nmero atmico = 6Radio atmico = 0,071 nm

Principalmente Intersticiales

SOLUCIONES SLIDAS Fe-C

3. Fases y microconstituyentes de los aceros en equilibrio

Ferrita (x100) Austenita (x400)

C intersticial

3. Fases y microconstituyentes de los aceros en equilibrio

FUNDICIONES: Aleaciones Fe-C con un contenido de C entre 2,11% y 6,67% (normalmente %C < 4,5%)

0,77%C, 727CFe Fe + Fe3C

Reaccin eutectoide

4,30%C, 1148CL Fe + Fe3C

Reaccin eutctica

3. Fases y microconstituyentes de los aceros en equilibrioACEROS: Aleaciones Fe-C con un contenido de C entre 0,022 y 2,11% (normalmente %C < 1,4%)

ACEROSEnfriamiento lento de un acero

EUTECTOIDEConcentracin de C igual a la

del punto eutectoide (=0,77%C)

Microconstituyente eutectoide Perlita (Ferrita eutectoide +

Cementita eutectoide)

Reaccin eutectoideFe Fe + Fe3C

Perlita

4. Diagrama de fases Fe-C: desarrollo microestructural

Enfriamiento lento de aceros hipoeutectoides

Concentracin de C inferior a la del punto eutectoide (

AceroHipoeutectoide

F

e

3

C

(

c

e

m

e

n

t

i

t

a

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

(austenita)

+L

+ Fe3C

+ Fe3C

L+Fe3C

(Fe) C, wt% C

1148C

T(C)

727C

(Sistema Fe-C)

C0

0

.

7

6

srW = s/(r +s)W =(1 - W) R S

perlita

Wperlita = WW = S/(R +S)W =(1 W)Fe3C

Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e.Ferrita

proeutectoideperlita

100 m Acero Hipoeutectoide


ACEROSACEROSEnfriamiento lento de aceros

hipereutectoidesConcentracin de C superior a la del punto

eutectoide (>0,77%C)

Microconstituyente eutectoide Perlita (Ferrita eutectoide + Cementita

eutectoide)

Cementita proeutectoide


Acero Hipereutectoide

F

e

3

C

(

c

e

m

e

n

t

i

t

a

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

(austenita)

+L

+Fe3C

+Fe3C

L+Fe3C

(Fe) C, wt%C

1148C

T(C)

(Sistema Fe-C)

0

.

7

6

C0

perlita

Fe3C

xv

V X

Wperlita = WW = X/(V + X)W =(1 - W)Fe3C

W =(1-W)W =x/(v + x)

Fe3C

Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e.

Fe3C

proeutectoide

60 m Acero Hipereutectoide

perlita


ACEROS NO EUTECTOIDES

Perlita PerlitaPorcentaje en peso de C

WT=W+WEUTWcT=WcEUT

WT=WEUTWcT=Wc+WcEUT


Calcula las fracciones de masa de la ferrita y de la cementita en la perlita:

Problema 8.11

Diagrama de Fases Fe-C

W=CcFe3C-C0 / CFe3C-C= 6,70-0,77 / 6,70 -0,022= 0,888

WFe3C=C0-C / CFe3C-C= 0,77-0,022 / 6,70-0,022= 0,112

Para una aleacin Fe-C de 99.6 wt% Fe-0.40 wt% C a temperatura justo debajo del eutectoide, determinar:

a) Composicin de Fe3C y ferrite ().

b) La cantidad de carburo de hierro en gramos por 100 gr de acero.

c) La cantidad de perlita y ferrita () proeutectoide

Problema

Diagrama de Fases Fe-C

WFe3C R

R S C0 C

CFe3C C 0.400.022

6.700.022 0.057

b) Usamos la recta de reparto

a) Trazamos la lnea de isoterma justo debajo del eutectoide

C = 0.022 wt% CCFe3C = 6.70 wt% C

F

e

3

C

(

c

e

m

e

n

t

i

t

a

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

(austenita)

+L

+ Fe3C

+ Fe3C

L+Fe3C

C, wt% C

1148CT(C)

727C

C0=0.4

R S

CFe C3C

La cantidad de Fe3C en 100 g = (100 g)WFe3C= (100 g)(0.057) = 5.7 g

c) Usando la isoterma VX justo por encima del eutectoide se obtiene que

C0 = 0.40 wt% CC = 0.022 wt% CCperlita = C = 0.77 wt% C

F

e

3

C

(

c

e

m

e

n

t

i

t

a

)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

(austenita)

+L

+ Fe3C

+ Fe3C

L+Fe3C

C, wt% C

1148CT(C)

727C

C0

V X

CC

512.0 022.077.0022.040.0

0perlita

CC

CCXV

VWW

Cantidad de perlita en 100 g = (100 g)Wperlita= (100 g)(0.512) = 51.2 g

Teutectoide cambia: Ceutectoide cambia:

Variacin de la temperatura y concentracin eutectoide motivada por la presencia de aleantes.

ACEROSACEROS

4. Diagrama de fases Fe-C: influencia de aleantes

aumentan dureza y fragilidad, max y lm

disminuyen la ductilidad y la tenacidad

wt%C0 0,51

0

50

100

%EL

E

n

.

i

m

p

a

c

t

o

(

I

z

o

d

,

f

t

-

l

b

)

0

40

300

500

700

900

1100

lim(MPa)

max(MPa)

wt%C0 0,51

dureza

0

,

7

7

0

,

7

7

Hipoeutctico Hipereu-tctico

(Adaptadas de figs.

10.21(a) y (b), Callister,

Ed. 2000)

A mayor %C:

resistencia traccin

lm.elstico

tenacidad

ductilidad

Cmo cambian las propiedades mecnicas de los aceros a medida que aumenta el contenido en C?

Bajo C Medio C Bajo C Medio C

Blando Semi-duro Blando Semi-duro

MECANISMOS IMPLICADOS: a) Solucin slida b) ms interfases c) precipitados

ACEROSACEROS

Hipoeutctico Hipereu-tctico

5. Propiedades mecnicas en aceros

Para cada micrografa tomada a temperatura ambiente, seala:

El nmero de microconstituyentes y su nombre Las fases en cada microconstituyente La composicin (eutectoide, hipoeutectoide,

hipereutectoide). Ordnalos segn sus propiedades mecnicas

(dureza, ductilidad, resistencia y tenacidad).

A

B

C

A B C

Microsconst. Perlita (+Fe3C)

Perlita + Fe3C

Perlita + ferrita

Composicin 0,77%C >0,77%C < 0,77%C

Dureza

Ductilidad

Resistencia

Tenacidad

ACEROSACEROS

5. Propiedades mecnicas en aceros

MICROESTRUCTURA PERITCTICA

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

(

C

)

% en peso de carbono

Suele ocurrir la SEGREGACIN de las fases Es comn un tratamiento trmico de HOMOGENEIZACIN

ACEROS

4. Diagrama de fases Fe-C: Microestructural Peritctico

Aleaciones Fe-C con 2,11 < %C < 6,67 FUNDICIONES BLANCAS

La solidificacin termina a1146 C donde se forma unamatriz eutctica con un4,3%C= ledeburita

L -> Austenita (2,11 %C) + Cementita (6,67%C)

La LEDEBURITA ( + Fe3C) es el microconstituyente EUTCTICO del sistema Fe-Fe3C

Ledeburita

Ledeburita transformada

FUNDICIONES DE HIERRO: EUTCTICO EN Fe-C

4. Diagrama de fases Fe-C: Microestructural Eutctico

Diagramas de Fases (III) Fe-C Objetivos de aprendizaje:

Dibujar esquemticamente un diagrama de fases Fe-Fe3C o Fe-C(grafito) y conocer las caractersticas de las transformaciones y fases en Fe-Fe3C.

Extraer informacin de fases presentes, composicin y cantidad de cada una de ellas, a partir de un diagrama de fases Fe-C.

En composiciones del sistema Fe-C comprendidas entre 0,022-6,67 %C, saber especificar si la aleacin es hipo/hiper/-/eutectoide/eutctica.

A distintas composiciones del sistema Fe-Fe3C, identificar y nombrar las fases proeutectoides y proeutcticas; y saber calcular las fracciones msicas de fase proeutectoide y perlita; o proeutctica y ledeburita, etc.

En sistemas de equilibrio Fe-C, conocer y dibujar esquemticamente las microestructuras y microconstituyentes generados por enfriamiento.

Conocer las microestructuras derivadas del eutctico y del peritctico. Explicar el efecto de la presencia de aleantes en el eutectoide Fe-C.

Tema 8 - Diagramas de Fase III Fe-C

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