Diag Equilibrio Fe C

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


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


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


1. Introduccin

Endurecimiento del Cu, por solucin de Ni


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


1. Introduccin

Regin negra es amorfa

Regin blanca es cristalina

http://www.tarotistas.com/secciones/piedras/images/Obsidiana_Copo00.jpg&imgrefurl


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


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


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


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:


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


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


1. Introduccin

El comportamiento de la olla para coccin a presin puede esquematizarse en el DE del H2OAl contrario, hervir alimento a P


1. Introduccin

TmFe=1539 C

TFe=1392 C

TFe=911 C

Diagrama de equilibrio del Fe


1. Introduccin


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


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


1. Introduccin


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



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



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


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:


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



Estructura monofsica policristalina,

273.0113

32433235

==

=f

LL CC

CCf

=

0

727.01 == ffL



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


2. Solubilidad Parcial en Slido o Lquido

Temperatura consolute

Intervalo de miscibilidad

+S




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



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



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



A partir del Diag. Equil. es posible inferir las propiedades tecnolgicas de las aleaciones



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





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.





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



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

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