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diagramas de fase
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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
4. Diagrama de fases Fe-C: desarrollo microestructural
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
4. Diagrama de fases Fe-C: desarrollo microestructural
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
4. Diagrama de fases Fe-C: desarrollo microestructural
ACEROS NO EUTECTOIDES
Perlita PerlitaPorcentaje en peso de C
WT=W+WEUTWcT=WcEUT
WT=WEUTWcT=Wc+WcEUT
4. Diagrama de fases Fe-C: desarrollo microestructural
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.