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DIAGRAMAS DE FASE

Diagramas de fase • Diagramas de fase son mapas que permitem preveer la microestructura de un material en función de la temperatura y composición de cada componente. • Fase es una porción homogénea del material que tiene propiedades físicas o químicas uniformes:  Ej: Mezcla agua/hielo - dos fases  Quimicamente idénticas - H2O  Fisicamente distintas - líquida/sólida

 E: Mezcla agua/azúcar con azúcar precipitado - dos  Quimicamente distintas – solución H2O/açúcar e açúcar puro  Fisicamente distintas - solución en fase líquida y fase sólida

Limite de solubilidad • Corresponde a la concentración máxima que se puede alcanzar de um soluto dentro de um solvente. • El limite de solubilidad depende de la temperatura. En general, crece con la temperatura. 100 80 60 40

Limite de solubilidad

Solución líquida (agua azucarada) Solución líquida + azúcar sólido

20 0

0 100

25 75

50 50

Composición (wt%)

75 25

100 0

Azúcar Agua

Diagramas binários Linea liquidus

Punto A 60% Ni 1100ºC

L = Líquido

Punto B 35% Ni 1250ºC

Linea solidus

B a+L A a = alfa

B 1250ºC

30

Composición (wt% Ni)

CL

40

C0

Ca

Interpretación de los diagramas • Fases presentes  Para una coordenada cualquiera del diagrama, se verifica cuales fases estan presentes  Punto A => apenas fase alfa  Punto B => fase alfa y fase líquida

• Composición de cada fase  Para una coordenada cualquiera del diagrama, se verifica cuantas fases existen  Una fase => trivial => composición, leer directo del gráfico.  Dos fases => Se usa el método de la linea de conexión (tie-line) – La tie-line se extiende de una frontera a otra – Se marca las intersecciones entre la tie-line y las fronteras y se verifica las concentraciones correspondientes en el eje horizontal

Interpretación (cont.) • Composición de cada fase (cont.) tie-line

B 1250ºC

30

40

CL

• Fase líquida CL = 32 wt% Ni - 68wt% Cu

C0

50

Ca • Fase alfa (solución sólida) Ca = 43 wt% Ni - 57 wt% Cu

Interpretación (cont.) Determinación de las fracciones de cada fase • Una fase => trivial => 100% de la própia fase • Dos fases => Regla de la Palanca (lever rule)

Lógica de la regla de la palanca • La regla de la palanca nada mas es la solución de dos ecuaciones simultáneas de balance de masa  Con apenas dos fases presentes, la suma de sus fracciones tiene que ser 1 • Wa + WL = 1

 La masa de uno de los componentes (p.ej. Ni) que está presente en ambas fases debe ser igual a la masa de este componente en la aleación como un todo • Wa Ca + WLCL = C0

• La regla de la palanca, en verdad, deberia ser llamada de regla de la palanca invertida.

Diagramas de fase y microestructura • Hasta ahora hemos estudiado diagramas de fase isomorfos, en los cuales existe un rango de temperaturas en que hay completa miscibilidad de un constituyente en otro. • Otra condición implicitamente utilizada hasta ahora es de que los diagramas son de equilíbrio. Esto quiere decir que cualquier variación de temperatura ocurre lentamente lo suficiente para permitir un rearreglo entre las fases através de procesos difusionales. También quiere decir que las fases presentes a una dada temperatura son estábles.

Diagramas de fase y microestructura • Evolución microestructural L

a+L

100% Líquido C0 constituyente B 90% Líquido - 10% alfa CL1 const. B - Ca1 const. B 60% Líquido - 40% alfa CL2 const. B - Ca2 const. B

a

CL3

10% Líquido - 90% alfa CL3 const. B - Ca3 const. B

CL2

CL1 Ca3 Composición

Ca2 Ca1

100% Sólido - alfa C0 constituyente B

Diagrama Isomorfo - Animación

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No-equilíbrio y segregación • Durante el enfriamiento, ocurren cambios en la composición de las dos fases.  Estos cambios dependen de la difusión, que es un proceso lento en la solución sólida.  En la práctica no vale la pena mantener tasas tan lentas de enfriamento, lo que implica que las estructuras obtenidas no son exactamente las descritas hasta ahora.  Asi, la región central de cada grano va a ser rica en el constituyente de alto punto de fusión. La concentración de otro constituyente aumenta en dirección al contorno de grano.  Esto implica en una mayor sensibilidad de las fronteras a la temperatura. En el calentamiento, ellas derretiran y el material se arruinará.

Sistemas binários eutéticos

Líquido

a+L

a

b+L CaE

a+b

CE

CbE

Reacción Eutéctica (a 780°C) L (71.9% Ag)  a (7.9% Ag) + b (91.2% Ag) La temperatura de fusión del eutéctico es mas baija que la de sus constituyentes.

b

Ejemplo: Soldadura (Pb-Sn) • Para una aleación de 40% wt Sn - 60% wt Pb a 150°C  Cuales son las fases presentes, sus composiciones y proporciones ?

a+b

Ca Fases Presentes: aeb

Composición (wt% Sn) Composiciones: Ca  11% Sn Cb  99% Sn

Proporciones: Wa = (Cb - C)/(Cb - Ca) = 0.67

Cb Wb = 1 - Wa = .33

Microestructura en eutécticos

• Composición eutéctica

100% Líquido con la composición eutéctica

Microestructura eutéctica: Capas finas alternadas de fases a e b

Composición

La transición eutéctica es rápida. Así, no hay tiempo para ocurrir difusión substancial. La segregación de átomos de tipo A y B tienen que darse en pequeña escala de distancias.

Microestructura eutéctica: Capas finas alternadas de las fases a e b (pequeñaa variación en relación a T1)

Diagrama Eutéctico - Animación

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Microestructura en eutécticos (cont.) • Composición hipereutéctica 100% Líquido con la composición de 80% B

10% de b1 en una matriz de L1

67% de b2 en una matriz de L2 (60% B) 67% de b3 (90% B) en una matriz de microestructura eutéctica = 17% a3 (30% B) + 83% b3 (90% B)

Composición

Diagrama Eutéctico - Animaçión

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Diagrama Eutéctico - Animaçión

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Microestructura en eutécticos (cont.) • La microestructura para una composición hipoeutéctica es simétrica a la de la hipereutéctica

Fase a (o b) primária, formada por solidificación paulatina a partir de la fase líquida, encima de la temperatura eutéctica (proeutéctica)

Estructura eutéctica

Microestructura en eutécticos (cont.) • Composición abajo de la eutéctica 100% Líquido con la composición de 20% B 50% de a1 en una matriz de L1 100% de a (20% B) 1% de b2 en una matriz de a (precipitado en los contornos o dentro de los granos) 5% de b3 en una matriz de a3 Composición (wt% B)

Diagrama Eutectóide • Diagrama semejante a un eutéctico, en el cual ocurre una transición tipo eutéctica en estado sólido. 1600

1538°C

L

T(°C) 1394°C

g

a

g

1200

g+L 1148°C

(austenita)

a+g

2.11

g + Fe3C

912°C

0.77

800

4.30

a+g

727°C

0.77

0.022

a + Fe3C 400 (Fe)

1

2

Cementita (Fe3C)

3 4 5 Concentración (wt% C)

6

6

Diag. Fe-C - Características básicas • Fases del Fierro puro  Tamb - 912°C => Fe en la forma de Ferrita (a-Fe, CCC)  912°C-1394°C => Fe en la forma de Austenita (g-Fe, CFC)  1394°C-1538°C => Fe en la forma de Delta Ferrita ( -Fe,CCC) - ningun valor tecnológico

• Solubilidade do C em Fe  En la fase a - máximo de 0.022%  En la fase g - máximo de 2.11%

• Cementita - Fe3C  Compuesto estáble que se forma en las fases a y g cuando la solubilidad máxima es excedida, hasta 6.7 wt% C.  Es dura y quebradiza. La resistência de aceros es aumentada por su presencia.

Diag. Fe-C - Características básicas • Reacción eutéctica  A 1148°C ocurre la reacción

L (4.3% C) <=> g (2.11% C) + Fe3C (6.7% C) • Reacción eutectóide  A 727°C ocurre la reacción

g (0.77% C) <=> a (0.022% C) + Fe3C (6.7% C) que es extremamente importante en el tratamiento térmico de aceros.

• Classificación de aleciones ferrosas  0-0.008wt% C - Fierro puro  0.008-2.11wt% C - aceros (en la práctica < 1.0 wt%)  2.11-6.7wt% C - fierros fundidos (en la práctica < 4.5wt%)

Evolución microestructural • Concentración eutectóide g + Fe3C

g

g

a

a+g

g 727°C

Perlita (a + Fe3C) 0.77 wt% C

g g

Inicialmente, tenemos apenas la fase g. A una temperatura inmediatamente abajo de la eutectóide toda la fase g se transforma en perlita (ferrita + Fe3C) de acuerdo con la reacción eutectóide. Estas dos fases tienen concentraciones de carbono muy diferentes. Esta reacción es rápida. No hay tiempo para que haya gran difusión de carbono. Las fases se organizan como lamelas alternadas de ferrita y cementita.

Evolución microestructural (cont.) • Concentración hipo-eutectóide g

g

g

g

g + Fe3C

g g

a

g a

a+g

g

g

727°C g a

a

g

a + Fe3C C0

Inicialmente, tenemos apenas la fase g.

En seguida comienza a surgir fase a en las fronteras del grano de la fase g. A una temperatura inmediatamente encima de la eutéctoide la fase a ya crescio, ocupando completamente las fronteras de la fase g. La concentración de la fase a es 0.022 wt% C. La concentración de la fase g es 0.77 wt% C, eutectóide.

A una temperatura inmediatamente a pro-eutectóideabajo de la eutectóide toda la fase g se transforma en perlita (ferrita eutectóide + Fe3C). La fase a, que perlita no cambia, es denominada ferrita pro-eutectóide.

Evolución microestructural (cont.) • Concentración hiper-eutectóide g g

g a

g

g + Fe3C

g g g

a+g

727°C

Fe3C pro-eutetóide

a + Fe3C

perlita C1

g g

Fe3C

Inicialmente, tenemos apenas la fase g. En seguida comienza a surgir fase Fe3C en las fronteras de grano de la fase g. La concentración de la Fe3C es constante igual a 6.7 wt% C. La concentración de la austenita cae con la temperatura siguiendo la linea que separa el campo g+Fe3C del campo g. A una temperatura imediatamente encima del eutectóide la concentración de la fase g es 0.77 wt% C, eutéctóide.

A una temperatura inmediatamente abajo de la eutetóide toda la fase g se transforma en perlita. La fase Fe3C , que no cambia, es denominada cementita proeutetóide.

Ejemplos de microestructuras

Acero hipo-eutectóide con 0.38 wt% C, compuesto por ferrita pro-eutectóide (fase clara) y perlita [fase con lamelas claras (ferrita) y oscuras (cementita)]. 635x.

Acero hiper-eutectóide con 1.40 wt% C, compuesto por cementita pro-eutectóide (fase clara) y perlita. 1000x.

Proporciones de las fases

Concentración de carbono (wt %)

Fracción de ferrita total

Fracción de cementita total

Fracción de ferrita pro eutectoide

Fracción de cementita pro eutectoide

Fracción de perlita

Fracción de perlita

Glosário Austenita = g-Fe = fase g Ferrita = a-Fe = fase a Cementita = Fe3C (6.7 wt% C em Fe) Perlita = Ferrita e Cementita en lamelas alternadas Hipo = menor que - Hiper = maior que Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >Teutetóide p/composición hipo-eutetóide (<0.77 wt%C) • Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a T >Teutetóide p/composición hiper-eutetóide. • • • • • •