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)

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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.