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diagrama equilibrio Fe C
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Metalurgia Fsica.Departamento Mecnica - Cdigo 274.
Diagrama de Equilibrio
Contenido: 1. Introduccin, 2. Ley de Gibbs, 3. Diagrama de Equilibrio, 4. Solubilidad Total en Slido, 5. Regla de
la Palanca 6. Insolubilidad Total en Slido, 7. Solubilidad Parcial en Slido
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
En clases previas se estudi la solidificacin de metales puros
En metales puros el control de la resistencia puede realizarse mediante la velocidad de solidificacin y tambin por deformacin
Poseen aplicaciones tecnolgicas importantes, pero en numerosas aplicaciones no proveen las respuestas adecuadas
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
La resistencia tambin puede aumentarse insertando defectos puntuales en la red
Por ejemplo introduciendo tomos de otro elemento o componente, pero convirtiendo el material en una aleacin
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Endurecimiento del Cu, por solucin de Ni
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Diagrama de Equilibrio de Elementos Puros o de Un Componente
Ref. Prof. Sadoway, course 3.091, lecture 33, MIT
Permite distinguir las fases presentes de un elemento para distintas combinaciones de Presin y Temperatura
Es un diagrama ideal
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Regin negra es amorfa
Regin blanca es cristalina
http://www.tarotistas.com/secciones/piedras/images/Obsidiana_Copo00.jpg&imgrefurl
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Definicin de Fase Caractersticas
Definicin de Componente Caractersticas
1. Define la complejidad de un sistema
2. Es el nmero de constituyentes qumicamente distinguibles
1. Tiene la misma estructura y caractersticas en todo su volumen
2. Tiene la misma composicin y propiedades en todo su volumen
3. Posee una interfase definida entre si misma y el medio circundante
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
De acuerdo a la P y T de un elemento, este puede presentarse en distintos estados, slido, lquido o gaseoso, y cada una de estos constituye una fase, con ordenamiento atmico, propiedades y lmite o interfase caractersticas
En el equilibrio no hay reaccin neta, aunque s puede ser un sistema dinmico
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Encerrando un bloque de hielo en una cmara de vaco, comienza a fundirse y, adems, parte del agua se vaporiza
En estas condiciones coexisten 3 formas de H2O, slida, lquida y gaseosa, y cada una de estas constituye una fase, con ordenamiento atmico, propiedades y lmite o interfase caractersticas
Aun cuando las fases poseen la misma composicin qumica
Diagrama de Equilibrio
1. Regla de las Fases de Gibbs
En qumica y termodinmica, la regla de las fases de Gibbs describe el nmero de grados de libertad (L) en un sistema cerrado en equilibrio, el que depende del nmero de fases (F), del nmero de componentes qumicos (C) y del nmero de variables no-composicionales (N)
NFCL +=
La regla de las fases de Gibbs fue derivada de principios termodinmicos por Josiah Willard Gibbs hacia 1870
Usualmente N=2, al considerar P y T
1+= FCL
2+= FCLSi P=cte, por ejemplo al nivel atmosfrico, entonces la regla de las fases resulta:
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Aplicando la regla de las fases al enfriamiento de H2O a P=cte:
En lquido L=1-1+1=1, puede variar T y aun mantener el estado
Solidificacin L=1-2+1=0, si las dos fases coexisten T debe ser cte
En slido L=1-1+1=1, otra vez, solo puede variar T
F=1, L=1
F=2, L=0
F=1, L=1
1+= FCL
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Aplicando la regla de las fases a distintas zonas del DE del agua es:
En lquido L=1-1+2=2, pueden variar T y P y aun mantener el estado
2+= FCL
En slido L=1-1+2=2, idem
En vapor L=1-1+2=2, idem
En interfase L=1-2+2=1,
En punto triple L=1-3+2=0, si alguna variable cambia, se sale de la condicin
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
El comportamiento de la olla para coccin a presin puede esquematizarse en el DE del H2OAl contrario, hervir alimento a P
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
TmFe=1539 C
TFe=1392 C
TFe=911 C
Diagrama de equilibrio del Fe
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Diagrama de Equilibrio de 2 Componentes
Hasta ahora se estudi la solidificacin de un elemento puro
Por distintas razones, interesa conocer la micro-estructura y propie-dades de sistemas multi-componente (C), en la prctica conocidas como aleaciones, por ejemplo, para obtener la resistencia necesaria
El Nro de componentes es una medida de la complejidad del sistema
Las propiedades de los materiales dependen de su microestructura, por lo tanto, los ingenieros deben conocer cmo se forman y su relacin con las propiedades
El conocimiento de los Diagramas de Fase o de Equilibrio permite entender las transformaciones de fase posibles en condicin de equilibrio, es decir, con enfriamiento muy lentos
Una vez en equilibrio, las propiedades no cambian con el tiempo
A diferencia de lo que ocurre en un estado metaestable
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
4
F = 1 F = 2
C = 1 H2O LqDiamante H2O Sl / H2O Lq
C = 2 CaO ZrO2 CCl4-H2O
C = 3 Au-Ag-Ni LentesLi2O-Al2O3-SiO2
Diagrama de Equilibrio es una representacin grfica Temp (T) vs. Cqum (X) a P=cte, generalmente a 1 atm
Permite conocer:
las fases presentes para cada temperatura y composicin
La composicin y cantidad de cada fase
solubilidad de un componente en otro a distintas temperaturas
temperatura de fusin / solidificacin
El Diagrama de Equilibrio es un mapa de estabilidad de fases, funcin de T y X
El DE se construye a partir del anlisis trmico diferencial (ATD), la observacin metalogrfica y la difraccin de rayos X, clculo a partir de las ecuaciones constitutivas de G
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Diagrama de Equilibrio
1. Introduccin
Clasificacin parcial de los Diagramas de Equilibrio
Solubilidad total en estado slido
Insolubilidad total en estado slido
Solubilidad parcial en estado slido
El nmero de grados de libertad es la cantidad de variables (X0, P, T) que pueden cambiar sin que se modifique el nmero de fases
Por ejemplo, si L=1, entonces puede cambiar una de las variables (dentro de ciertos lmites), y a la vez F=cte
Por lo tanto, la Regla de las Fases es la expresin matemtica de las condiciones de equilibrio de un sistema, ya que L es el nmero de grados de libertad, C el nmero de componentes y F el de fases
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de las Fases de Gibbs
1+= FCL
Cuando P=cte, entonces la regla de las fases adopta la forma:
AL
AA ==BL
BB ==
Hay (F -1)*C ecuaciones, (3-1)*2Hay 3 variables, X0, P y TEn c/fase estn todos los componentes, pudiendo cambiar la concentracin de (C-1) de ellos, el restante queda fijoLas variables son (C-1)*F +P +T o (C-1)*F +2
En el diagrama de la figura , y L estn en equilibrio, por lo tanto:
Como L est dado por la diferencia entre las variables y las ecuaciones L = (C-1)*F +2 - (F -1)*C =F *C F + 2 F *C + CL = C F + 2En el diagrama de la Figura, si p=cte, L=2-3+1=0, transfor. a T=cte
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de las Fases de Gibbs
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de las Fases de Gibbs
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de las Fases de Gibbs
Sistema de Dos Componentes.
Un DE binario muestra las fases formadas para diferentes combinaciones de dos elementos denominados A y B, en un rango de temperaturas
La composicin qumica (X) vara desde el 100 %A, a la izquierda del diagrama, hasta el 100 %B a la derecha
La CQ puede expresarse como A X %B, p.ej. Cu 20 %Al es 80% de Cu y 20 %Al
Para especificar las proporciones se pueden utilizar porcentajes en peso o porcentajes atmicos
Diagrama Tipo 1. Solubilidad Total en Estado Slido.Cuando dos componentes pueden formar este tipo de DE ???Reglas de Hume-Rothery
Aleaciones Sustitucionales1. Dif de radio atmico
TmA
TmB
Uniendo los puntos donde comienza la solidificacin LLnea de Liquidusnea de Liquidus. Es la menor temperatura a la cual se observa todo lquidoUniendo los puntos donde termina la solidificacin LLnea de Solidusnea de Solidus. Es la mayor temperatura a la cual se observa todo slido
Figura. Diagrama de equilibrio Cu-Ni.
Avance de la solidificacin de equilibrio, para una aleacin Cu-Ni
Diagrama de Equilibrio
2. Composicin de las Fases
1=+ ffL
totalpalancabrazoopuestopalancabrazo
CCCCfL
L =
=
0
ffL
La lnea de composicin representa el total de la masa considerada
C0 - punto de apoyo de la palanca
fL - fraccin de lquido @ T
f - fraccin de slido @ T
La palanca debe estar en equilibrio
L
Reemplazando, resulta:
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de la Palanca
)()( 00 CCfCCf LL =
La lnea de composicin dice que a T=1250 C hay separacin de fases (tie line)
fl posee una composicin CLf posee una composicin C
@T=1250 C
L
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de la Palanca
Estructura monofsica policristalina,
273.0113
32433235
==
=f
LL CC
CCf
=
0
727.01 == ffL
Diagrama de Equilibrio
2. Regla de la Palanca
Diagrama Tipo 2. Solubilidad Parcial en Slido o LquidoA y B no pueden mezclarse en todas las proporciones sin saturarHay un rango de miscibilidad, A y B se disuelven hasta cierto puntoNo hay cambio de estado
Diagrama de Equilibrio
2. Solubilidad Parcial en Slido o Lquido
Temperatura consolute
Intervalo de miscibilidad
+S
Diagrama de Equilibrio
2. Solubilidad Parcial en Slido o Lquido
Diagrama de Equilibrio
2. Solubilidad Parcial en Slido o Lquido
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
Es una mezcla de los diagramas Tipo 1 y 2 (lenticular y el de desmezcle)
es una solucin slida rica en A, y es una solucin slida rica en B
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
Posee un punto caracterstico denominado Eutctico, en el que coexisten 3 fases, , y L
Eutectico, viene del griego, y significa de fcil fusin
Este punto se presenta a una composicin y temperatura caractersticas, XE y TE
TE < TA y ademsTE < TB !!!!!
Por lo tanto, existe una tempe-ratura de fusin menor que las correspondientes a A y B
XE
TE
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
Solubilidad parcial de A en B
Solubilidad parcial de B en A
Hay cambio de estado LS
F=1F=1
F=1
F=2
F=2
F=2
F=3
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
A partir del Diag. Equil. es posible inferir las propiedades tecnolgicas de las aleaciones
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
Pb-Sn, soldadura en componen-tes elctricos y electrnicos
El Pb es de estructura de fcc y el Sn es de estructura bctPor la regla de Hume Rothery es imposible que formen solucin con alto contenido de solutoTiene baja Tm y buena resistencia mecnica pero no tan baja para fallar en servicioIntervalo pastosoPero el Pb es contaminante!!!
Composicin ptima para soldar:
62% Sn, en aplicaciones elec-trnicas. Menor calentamiento de componentes
Compos hypo-eutctica en apli-caciones generales. Ms barata
Permite posicionar durante la solidificacin, intervalo Lq-Sl
Se estn investigando aleaciones sin Pb, como el sistema Sn-Ag-Cu para lo cual se utilizan DE
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
TE -65 C para 2/3 glicol
La solubilidad de glicol en agua es mnima, el punto de solubilidad mxima se aproxima al eje vertical
Glicol puro??
Posee mayor T de solidus que el eutctico
Posee mayor viscosidad
Adems, sube el punto de sublimacin. Gracias Dios!!!
XE - % TE - CKCl 21 -8
NaCl 23 -21
CaCl 31 -50
Tabla. Composicin y temperatura eutctica de distintas sales.
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
La zirconia cbica es un buen aislante
El diamante es buen conductor del calor, pero no de la electricidad
Transformacin Eutctica
Reaccin Invariante, L=0
Diagrama de Equilibrio
1. Tipo 3. Solubilidad Parcial en Slido
X0=62 %Sn y T=183 C, transforma en una mezcla de y
SnSnSnL 981862 +
Cantidad de y a T=182 C
45.08036
18986298
==
=f
55.045.01 ==f
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Various_eutectic_structures.png
Cantidad de primario a T=184 C, mezcla + L, aleacin Pb40Sn
5.04422
18624062
==
=primariof
5.05.01 ==Liqf
Mezcla eutctica +
pro-eutctico o primario
Cantidad total de y de a T=182 C Primario+ de la mezcla eutctica
72.07957
18984098
==
=totalf
28.072.011 === ff
Transformacin Hipo-eutctica
Acero Bajo Carbono 0-0.3 %CCuadro de bicicletaEstructura de automvilCasca de un barco
Ac. Medio Carbono 0.4-0.7 %CRielesRuedas ferrocarrilEje ferrocarril
Ac. Alto Carbono 0.8-1.4 %CHoja de afeitarTijeracuchillo
Transformacin peritctica en el diagrama de equilibrio Fe-C
Transformacin eutectoide en el DE Fe-C
++
LSSL 21
CFeSSS
3
321
++
Reacciones invariantes en el DE Fe-C o Fe-Fe3CCualquier lnea horizontal indica la presencia de una transformacin invariante
)%18.0()%5.0()%1.0( 1493 CwtCwtLCwt Co
+
)%67.6()%1.2()%3.4( 31150 CwtCFeCwtCwtL C
o
+
)%67.6()%02.0()%8.0( 3725 CwtCFeCwtCwt C
o
+
Transformacin Peritctica
Transformacin Eutectica
Transformacin Eutectoide