DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO SOLIDIFICACIÓN_FASES_REGLA DE LA PALANCA Y DE LOS SEGMENTOS INVERSOS

Transcripción

1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO SOLIDIFICACIÓN_FASES_REGLA DE LA PALANCA Y DE LOS SEGMENTOS INVERSOS

2 SOLIDIFICACIÓN_metales_aleaciones Proceso de enfriamiento desde la fase líquida hasta la fase sólida. Existe una temperatura de equilibrio a partir de la cual empieza a formarse el primer cristal. NUCLEACIÓN: etapa en la que empiezan a formarse pequeños núcleos estables sólidos sobre la pared o partículas sólidas. CRECIMIENTO: etapa en laque crecen los núcleos hasta formar la estructura cristalina granular. Subenfriamiento: el material permanece en estado fundido a tª<tª equilibrio debido a la inercia del sistema

3 SOLIDIFICACIÓN_metales_aleaciones VELOCIDAD DE SOLIDIFICACIÓN VELOCIDAD DE NUCLEACIÓN: número de núcleos estables formados por unidad de tiempo. VELOCIDAD DE CRECIMIENTO: aumento de peso de los núcleos por unidad de tiempo. Las propiedades mecánicas aumentan al disminuir el tamaño de grano para ello podemos: Aumentar la velocidad de nucleación: aumentando los agentes nucleantes o enfriando el metal con gran rapidez. Fragmentando los granos durante el crecimiento: agitando intensamente durante la solidificación.

4 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO(FASE) FASE: parte homogénea de un material que difiere de las demás en su composición, estado o estructura. DIAGRAMA DE FASES: representación gráfica de las fases presentes en un material para diferentes temperaturas, presiones y concentraciones. Los diagramas se obtienen en Condiciones de equilibrio. Se hacen con enfriamientos muy lentos a partir de una temperatura muy elevada y a una determinada presión. En equilibrio significa que el sistema permanece estable durante el proceso de solidificación. En equilibrio, en determinadas condiciones de presión y temperatura, no se crean ni desaparecen fases existentes.

5 DIAGRAMA DE FASES AGUA PURA

6 DIAGRAMA DE FASES HIERRO PURO

7 REGLA DE A LAS FASES DE GIBBS Ecuación que permite calcular el número de fases que pueden existir en equilibrio en un sistema. f + g = c +2 f = número de fases existentes en el sistema g = grados de libertad del sistema, es decir, número de variables ( P, tª, composición ) que podemos variar sin cambiar el número de fases del sistema. c = número de componentes del sistema. En la práctica industrial la P se considera constante a 1 atm por lo que la ecuación quedará como f+g=c+1

8 DIAGRAMA DE ALEACIONES Para realizar los diagramas de fase se toman un número de aleaciones con diferentes porcentajes de metal A y metal B. Se funden y enfrían lentamente anotando los puntos donde comienza y finaliza la solidificación y se trasladan a una gráfica T-Concentración El diagrama Cu-Ni es isomorfo porque sus componentes son totalmente solubles en estado sólido y líquido

9 REGLA DE LA PALANCA (HORIZONTAL) A Determinamos la COMPOSICIÓN DE LAS FASES en un determinado punto C B PUNTO A: aleación líquida de 50% de metal A y 50% de metal B PUNTO B: aleación sólida de 50% de metal A y 50% de metal B PUNTO C : zona bifásica donde coexisten un sólido y un líquido con composición líquida donde corta la línea horizontal (isoterma)con la línea de liquidus de 30% A y 70%B. La composición sólida será donde corta la horizontal con la línea de solidus con 70% A y 30% B

10 REGLA SEGMENTOS INVERSOS Determinamos la CANTIDAD DE FASES en un determinado punto, es decir que % de sólido y que % de líquido En las regiones monofásicas (puntos A y B ) serán 100% líquida o sólida. R S Aplicando la Regla de la palanca tenemos w L. R = w α. S ; w L + w α = 100 Operando obtenemos que En la región bifásica dibujamos la isoterma a la tª dada y aplicamos la regla de la palanca. El % en peso podemos calcularlo midiendo los segmentos con una regla sobre el diagrama o con las concentraciones según indican las siguientes expresiones.

11 EJEMPLO (diagrama binario completamente solubles en Líquido y Sólido.Diagrama Cu-Ni a b c d e Analizamos una muestra que se enfría lentamente desde 1300º hasta 1100º en los puntos a,b,c,d,e

12 EJEMPLO (diagrama binario completamente solubles en Líquido y Sólido.Diagrama Cu-Ni Punto a: todo en estado líquido. Composición: 35% Ni y 65% Cu Punto b: Corte con la "línea Liquidus" Aparición "α" (1270º aprox). Comp: L 35% Ni y 65% Cu α 49% Ni y 51% Cu Punto c: Región bifásica L + α (1250º aprox) Composición : L 30% Ni y 70% Cu α 43% Ni y 57% Cu Punto d: Corte con la "línea Sólidus" desaparición "L" (1220º aprox) Composición: L 23% Ni y 77% Cu α 35% Ni y 65% Cu Punto e: todo sólido "α" (composición α 35% Ni y 65% Cu)

13 DIAGRAMA EUTÉCTICO (totalmente soluble en líquido e insoluble en sólido) En el punto eutéctico (E) coexisten la fase líquida y las dos fases sólidas A y B (0 grados de libertad). Comienzan a solidificar a tª constante formándose láminas de metal A y de metal B alternativamente. Las aleaciones situadas a la izquierda de la eutéctica se llaman hipoeutécticas y las situadas a la derecha hipereutécticas. La aleación eutéctica es la de punto de fusión más bajo por lo que son las mejores para fabricar piezas fundidas, llenan mejor los moldes y son más homogéneas.

14 DIAGRAMA EUTÉCTICO (totalmente soluble en líquido y parcialmente soluble en sólido) Aparecen unas curvas nuevas llamadas solvus que indican las solubilidades máximas de B en solución A (sólido α ) y de A en B ( sólido β ) en función de la tª. Observando la gráfica vemos que nunca cristalizan A o B puros sino en forma se soluciones α y β de una sola fase.

15 DIAGRAMA Fe-C ESTADOS ALOTRÓPICOS DEL HIERRO Al solidificar una probeta de Hierro puro obtenemos sus estados alotrópicos. A 1538ºC el hierro líquido solidifica en Hierro δ BCC. A 1394ºC el Hierro δ se transforma en Hierro γ FCC. A 910ºC el Hierro γ se transforma en Hierro α BCC

16 DIAGRAMA Fe-C ALEACIONES Fe-C Hierro puro: si el contenido en C es < 0,003% Aceros: el % de carbono se sitúa 0,003%<C<2% Fundiciones: el % de carbono se sitúa 2%<C<4% Por encima del 5% son metales muy frágiles sin utilidad industrial. La máxima proporción de C que una aleación puede disolver es 6,67%, compuesto que se denomina Cementita

17 DIAGRAMA Fe-C CONSTITUYENTES DE LAS ALEACIONES Fe-C Ferrita α : solución sólida de C en hierro α. La solubilidad del carbono es muy pequeña, su valor máximo a 727ºC es de 0,0218% considerándose prácticamente Fe puro. Es el más blando y dúctil de los aceros. Cementita: es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Cristaliza en ortorrómbico y su fórmula estequiométrica es Fe3 C. Perlita: estructura resultante de la solidificación de un acero eutectoide. Si el enfriamiento es lento cada grano formado está constituido por láminas alternadas de cementita y ferrita. Si es más rápido la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si se calienta un poco por debajo de la tª crítica de 727ºC adquiere forma globular (perlita globular)

18 DIAGRAMA Fe-C CONSTITUYENTES DE LAS ALEACIONES Fe-C Austenita: es el constituyente más denso de los aceros formado por solución sólida de intersección del C en huecos octaédricos de Fe γ. La máxima solubilidad es de 2,11%. Eutéctica: El líquido de 4,3% de C se transforma a 1148ºC convirtiéndose en austenita con un 2,11% dec y 6,67% de cementita. (ledeburita) Eutectoide: la austenita sólida de 0,77% en C se convierte a 727ºC en Fe con un contenido de C de 0,0218% y cementita con 6,67%C

19 DIAGRAMA Fe-C

20 DIAGRAMA DE LOS ACEROS Y FUNDICIONES

21 FUNDICIONES Las clasificamos como hipoeutécticas e hipereutécticas. Al fundirlas se extienden muy bien por lo que son ideales para moldearlas. La fundición eutéctica lo hace a la tª más baja de todas las aleaciones férrica 1130ºC. Si el enfriamiento es lento el carbono se expulsa de la red del hierro en forma de cementita originando la fundición blanca ( color de la fractura). Es frágil pero muy resistente, se utiliza para piezas a desgaste. Si se enfría más rápidamente el carbono expulsado no arrastra Fe para formar cementita y forma grafito formando la fundición gris. Los granos de grafito atenúan las vibraciones por lo que se usa para piezas de motores y maquinaria.

22 FOTOGRAFÍAS MICROESTRUCTURAS