Tema 8 - Diagramas de Fase III Fe-C
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Tema 8. Diagramas de fase (III): Diagrama de Fases del Sistema Fe-C
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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
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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
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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
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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.