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determinación de del diagrama de fases hierro carbono con todos sus puntos críticos...

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Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Yenny Marlen Gonzales Mancilla Escuela de ingeniería/ingeniería metalúrgica Diagrama de fases

Diagrama de fases Usacategui Gavidia Richard Darío 201820283 [email protected]

En esta práctica desarrollaremos lo relacionado a los diagramas de fase y todos sus conceptos explicados previamente, como lo son las reacciones invariantes, temperatura y además de las fases presentes en los diagramas en estado de solubilidad total, parcial, e insolubilidad total. MARCO TEORICO Se denomina diagrama de fases a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.1 Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado. Conceptualmente los diagramas de fases son una representación gráfica, de los cambios de una sustancia en concreto según la temperatura y presión. Los diagrama de fases son extrapolares siempre y cuando los compuestos sean puros. Regla de la palanca: nos dice que las cantidades de cada fase liquida o solida son inversamente proporcionales a los

segmentos formados al interceptar la horizontal de cada temperatura por los elementos solidad y líquidos.

𝑊𝐿 =

𝐶𝛼 − 𝐶𝑂 𝐶𝛼 − 𝐶𝐿

𝑊𝛼 =

𝐶𝑂 − 𝐶𝐿 𝐶𝛼 − 𝐶𝐿

Objetivos: Buscar 3 soluciones sólidas    

Solubilidad total. Solubilidad parcial. Insolubilidad total. En cada caso consultar su diagrama de fases y determinar las fases presentes y ubicar en ellos las reacciones invariantes y las temperaturas a las que se presentan.

Procedimiento: Para el procedimiento usaremos tres diagramas de, aleaciones de distintos metales en los que se les determinara lo pedido en los objetivos. Los diagramas que usaremos son los siguientes:  Diagrama de Fases Al-Ni  Diagrama de fases Cu-Ag.  Aleación de Cu-Ni

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Análisis y resultados:  Diagrama de Fases Al-Ni

Como podemos notar en el punto A hay una fase que viene del líquido de aluminio pero también se encuentra una suma de 𝐴𝑙3 𝑁𝑖 por lo tanto es una suma. 𝑙 ↔ (𝐴𝑙) + 𝐴𝑙3 𝑁𝑖 Reacción eutéctica a 639.9°C y un contenido de 5.7% de Ni Para el punto B se tiene una solución solidad de níquel y liquido ya que nuestro punto de análisis esta de líquido y notamos que al disminuir la temperatura viene de líquido a una región de dos fases.

(GRAFICA N°1)

En este diagrama podemos observar una gran cantidad de reacciones invariantes. Lo que vamos a realizar es obtener el nombre de cada una de ellas.  Lo primero que se hace es hallar los puntos de cada reacción, con las líneas horizontales. Punto A punto B punto C punto D punto E Punto F

𝑙 ↔ 𝐴𝑙𝑁𝑖3 + (𝑁𝑖) Como proviene del liquida es Reacción eutéctica a 1.385°C Para el punto C en este caso tenemos una reacción invariante a lo largo de la línea horizontal y tendremos una intercepción de líneas. Vamos a tener liquido 𝐴𝑙3 𝑁𝑖 que pasa a 𝐴𝑙3 𝑁𝑖 𝑙 + 𝐴𝑙3 𝑁𝑖 ↔ 𝐴𝑙3 𝑁𝑖 Relación peritectico a 854°C y una composición de aproximadamente 28% de Ni. Para el punto D nuevamente tenemos una composición de dos fases líquido y

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𝐴𝑙𝑁𝑖 y esto pasa de una región de dos fases a una de una fase.

Línea solida maraca la temperatura limite Línea solvus línea de (solubilidad)

𝑙 + 𝐴𝑙𝑁𝑖 ↔ 𝐴𝑙3 𝑁𝑖2 Reacción invariante perictectica a 1.133°C C y una composición de aproximadamente de 40 44% de composición de Ni. Para el punto E vamos a tener dos fases 𝐴𝑙𝑁𝑖 + 𝐴𝑙𝑁𝑖3 esto pasa de una región de dos fases a una región de una fase.

Línea liquida marca la temperatura la cual empieza a formarse el primer solido

En este diagrama se encuentra tres re guiones con una sola fase una liquida y dos fases solidas llamada 𝛼 𝑦 𝛽 y tres re guiones multifarias 𝛼 + 𝛽, 𝑙 + 𝛽, 𝑙 + 𝛼.

𝐴𝑙𝑁𝑖 + 𝐴𝑙𝑁𝑖3 ↔ 𝐴𝑙3 𝑁𝑖5 Reacción perictectoide a 700°C con una composición aproximada de 76.9% de Ni.  Diagrama de fases Cu-Ag.

Podemos identificar para el caso de estudio que el diagrama de tres faces es una reacción eutéctica, la cual es una transformación de faces, en la cual el líquido se solidifica formando dos regiones solidas diferentes, una forma que existirán tres fases en equilibrio. En este caso la reacción eutéctica está representada por la línea amarilla donde el punto E es conocido como el punto eutéctico y de ahí podemos definir la composición tipo eutéctica

(GRAFICA N°2)

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Para determinar la cantidad presente en cada fase se utiliza la regla de la palanca.

𝑊𝛼 =

𝐶𝛼 − 𝐶𝑂 ∗ 100 = 60.64% 𝐶𝛽 − 𝐶𝛼

𝑊𝛽 =

𝐶𝑂 − 𝐶𝛽 ∗ 100 = 39.36% 𝐶𝛽 − 𝐶𝛼

(GRAFICA N°2,2)

 Aleación de Cu-Ni Cada fase tiene una composición y viene expresado por el porcentaje de cada uno de los componentes Ejemplo: Hallar la composición de un punto A, a 1.000°C y un punto B a 600°C en una composición original del 40% de Ag.

(GRAFICA N°3)

(GRAFICA N°2,3)

La línea de líquidos delimita la zona de arriba donde la aleación está en una sola fase la fase líquido. En cambio en la parte de abajo la línea de solidas delimita la zona monofásica hacia debajo de esa zona todo se encuentra sólido.

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Y la zona entre las dos líneas es una zona bifásica en la que podemos encontrar fase liquida y fase sólida. Si queremos hallar la fase, la composición y la cantidad relativa de algún componente, lo que tenemos que hacer es ubicar el punto al que se le quiere hallar los valores y se traza una recta vertical hasta que llegue al eje x.

 74% de Ni y un 26% de Cu. Pero también en este diagrama se puede observar que exista en punto en la zona 𝑙 + 𝑠.

Como lo muestra en la gráfica hay dos puntos y le vamos a determinar la composición y en qué fase esta.

(GRAFICA N°3,2)

𝑎𝑙𝑓𝑎 = 𝛼

(GRAFICA N°3,1)

Como podemos notar el punto A esta en una fase liquida y con una composición de:

𝑏𝑒𝑡𝑎 = 𝛽

Para el punto C se hace lo mismo que con los anteriores y podemos notar que está en una zona bifásica, una zona liquida y solidad con una composición de:  69% de Ni y un 31% de Cu.

 71% de Cu y un 29% de Ni Parta el punto B podemos observar que ya se encuentra en otra fase la cual es solidad y unas composiciones de:

Como el punto C está en una zona bifásica necesitamos saber que cantidad de líquido y de solidos está

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presente en este punto, para esto se sigue los pasos siguiente.  Se traza una horizontal por el punto C hasta que toque las dos líneas de sólidos y líquidos.  Luego se trazan las verticales a cada punto de corte.  Se hallan las componentes de cada punto de corte.

𝛼 = 𝐶𝐿 = 66% 𝑑𝑒 𝐶𝑢 𝑦 34% 𝑑𝑒 𝑁𝑖.

 Para el cobre: 𝑊𝐿 =

16 − 31 ∗ 100 16 − 66

𝑊𝐿 = 30% Podemos notar que la composición es la misma, así que no es necesario realizar los dos cálculos, con que se le aplique a un componente es suficiente.  Diagrama carbono.

de

fases

hierro

𝛽 = 𝐶𝑆 = 84% 𝑑𝑒 𝑁𝑖 𝑦 16% 𝑑𝑒 𝐶𝑢.  A continuación efectuamos la regla de la palanca.  Para esto se toman los valores de níquel y cobres respectivamente.  Para el níquel: 𝑊𝐿 =

𝐶𝑆 − 𝐶𝑂 ∗ 100 𝐶𝑆 − 𝐶𝐿

𝑊𝐿 =

84 − 69 ∗ 100 84 − 34

𝑊𝐿 = 30% 𝑊𝑠 = 1 − 𝑊𝐿 = 1 − 0.3 = 0.7 𝑊𝑠 = 0.7 ∗ 100 = 70%

(GRAFICA N°4)

En nuestro diagrama de fases tenemos un 100% de hierro en l parte izquierda mientras que en el otro extremo tenemos 6.70% de composición de carbono, en la parte inferior tenemos la composición de peso en carbono en %, mientras que en la

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parte superior tenemos la composición pero en % atómico, también tenemos una escala de temperatura en el lado izquierdo de °C mientras que en el extremo derecho se encuentra en una escala de °F. Composición de acuerdo al % de carbono. Se considera que mientras él %C sea menor de 2% en composición de peso hallamos aceros. 0% > 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠 < 2% Pero dentro de los aceros también se encuentran algunas clasificaciones.  En composición de carbono en los aceros tenemos que:

Este puede encontrarse hasta un valor de 2.11% en composición de carbono y puede existir de un rango de temperaturas de 727°C hasta los 1495°C. La austenita suele encontrarse en procesos de deformación plástica ya que es un material suave.

0.77% 𝑑𝑒 𝐶 = 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑢𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑖𝑑𝑒 0.77% ↔ 2% 𝑑𝑒 𝐶 = 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠 ℎ𝑖𝑝𝑒𝑟𝑒𝑢𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑖𝑑𝑒𝑠

Se tenemos un % mayor a dos tenemos fundiciones. 2% > 𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

Fases de hierro carbono Fase gama (𝜸) = 𝒂𝒖𝒔𝒕𝒆𝒏𝒊𝒕𝒂

𝒇𝒂𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒇𝒂 (𝜶) = 𝒇𝒆𝒓𝒓𝒊𝒕𝒂

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Está presente en una pequeña porción, donde la máxima composición de carbono que se tiene es de 0.022%. La ferrita es de las fases más blandas temperatura ambiente, anuqué es más dura que la austenita. 𝒄𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕𝒊𝒕𝒂 = 𝒇𝒆𝟑 𝑪

Esta no se considera como una fase porque esta constituida por dos fases, 𝛼 + 𝑓𝑒3 𝐶 ferrita y cementita respectivamente, este constituyente está formado por láminas de ferrita y cementita.

Reacciones invariantes del hierro carbono Conocida como carburo de hierro, esta tiene la característica de ser un material muy duro y además frágil por su alta concentración o su alto contenido de carbono, ya que entre más cantidad de contenido de carbono tenga una aleación de FeC más dura se va a volver, de acuerdo al diagrama de fases se observa que la cementita se encuentra en 6.70% de carbono. 𝒑𝒆𝒓𝒍𝒊𝒕𝒂 = 𝜶 + 𝒇𝒆𝟑 𝑪

Las reacciones invariantes se ubican por la cantidad de líneas horizontales presentes en el diagrama.

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En la línea verde es la línea horizontal más pequeña donde se puede notar que tenemos una delta (𝛿), que se encuentra por encima de los 1444°C y una composición de carbono del 0.08% de carbono. También se nota que hay una fase líquido más delta, y por debajo de la línea horizontal tenemos austenita(𝛾).

mientras que por debajo de la línea horizontal tenemos la composición de 𝜶 + 𝒇𝒆𝟑 𝑪 (perlita) y como notamos que se pasa de una región donde hay una fase solidad a otra donde son dos fases solidas tenemos: 𝜸 ↔ 𝜶 + 𝒇𝒆𝟑 𝑪 = 𝒓𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒆𝒖𝒕𝒆𝒄𝒕𝒐𝒊𝒅𝒆

Nuestra reacción invariante en esta línea es donde se tiene la unión de todas las líneas, quiere decir que pasamos de una región de dos fases a una de una sola fase. 𝒍 + 𝜹 ↔ 𝜸 = 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒑𝒆𝒓𝒊𝒕𝒆𝒄𝒕𝒊𝒕𝒂

En la línea naranja tenemos la composición de carbono en 4.30%, y como observamos en la parte de arriba tenemos una fase liquida, mientras que por debajo de la horizontal se tiene una región con dos fases 𝛾 + 𝑓𝑒3 𝐶. Y dado que pasa de una fase liquida, a una región de dos fases solidas tenemos: En la línea azul la reacción invariante se presenta a 0.77% de carbono donde observamos que por encima de esa fase tenemos la fase gama (𝛾) 𝑎𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑡𝑎,

𝒍 ↔ 𝜸 + 𝒇𝒆𝟑 𝑪 = 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒆𝒖𝒕𝒆𝒄𝒕𝒊𝒄𝒂

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Conclusiones:  Los diagramas de fase nos permiten entender porque las características de los aceros cambian con el contenido de carbono.  Dependiendo del contenido de carbono e un diagrama de fases podemos obtener diferentes aceros.  Al aplicarle al material cierto tratamiento térmico, temple, recocido, revenido y normalizado, el diagrama de fases, es esencial porque nos ayuda a saber a qué temperatura el material se solidificara.  Conceptualmente los diagramas de fases  son una representación gráfica, de los cambios de una sustancia en concreto según la temperatura y presión.  Los diagrama de fases son extrapolares siempre y cuando los compuestos sean puros.  Los elementos químicos y las sustancias formadas por ellos, salvo algunas excepciones pueden existir en tres estados diferentes sólido, líquido, gaseoso.

Bibliografía: https://www.studeersnel.nl/nl/document/u niversiteit-twente/deluchtvaartindustrie/collegeaantekeningen/hierro-carbono-collegeaantekeningen-23/4834993/view

https://www.youtube.com/watch?v=tkY Yc4CnY1c https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_d e_fase#:~:text=En%20termodin%C3%A 1mica%20y%20ciencia%20de,facilitar% 20el%20estudio%20del%20mismo. http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing /m210031/Tema%2006.pdf http://cosmolinux.noip.org/uned/unedcurset22.html http://ocw.uc3m.es/ciencia-eoin/tecnologia-de-materialesindustriales/material-de-clase-1/Tema5Diagramas_de_fase-final.pdf https://www.youtube.com/watch?v=kTi W3y_vUrQ https://www.youtube.com/results?search_ query=%E2%80%A2%09Diagrama+de+ fases+Cu-Ag

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