cuando combinamos dos elementos - iim.unam.mx de fase.pdf · je p o ni fcc 1.9 0.1246 cu fcc 181.8...
Post on 13-Oct-2018
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
• Cuando combinamos dos elementos...qué estado de equilibrio obtenemos?q q
• En particular, si especificamos...--una composición (ej wt% Cu - wt% Ni)una composición (ej. wt% Cu wt% Ni), --una temperatura (T )
entoncesentonces...Cuántas fases obtenemos?Cuál es la composición de cada fase?Cuánto se obtiene de cada fase?
Fase BFase A Fase BFase A
Át d Ní lÁtomo de NíquelÁtomo de cobre
Equilibrio de fases: límite de solubilidadsolubilidad
– Soluciones – soluciones sólidas fase únicaSoluciones soluciones sólidas, fase única– Mezclas – más de una fase
Di d f / ú• Límite de solubilidad:
Concentración máxima para la
Diagrama de fase agua/azúcar
C) Solubility L
100p
cual se obtiene una sola fase.(depende de la temperatura)
atur
e (°
C
L
yLimit L
(liquid) + 60
80
Pregunta: ¿Cuál es el límite de solubilidad a 20ºC? Te
mpe
ra
(liquid solution i.e., syrup)
S(solid sugar)20
40
solubilidad a 20 C?
respuesta: 65 wt% azúcar. 65 e gar0 20 40 60 80 100
C =Composition (wt% sugar)
sugar)20e te
rpSi Co < 65 wt% azúcar: jarabeSi Co > 65 wt% azúcar: jarabe + azúcar
Pur
SugCo =Composition (wt% sugar)
Pur
Wat
Componentes and fases• Componentes:
Son los elementos o compuestos que están presentes en una
pp q p
mezcla (ej. Al y Cu)• Fases:
P ió h é d i t ti t í tiPorción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes. (ej. and ).
Ejemplo: AleaciónAluminio-
(fase clara)
Cobre(fase oscura)
Efecto de la temperatura y composición (C )composición (Co)
• Un cambio en T puede cambiar el # de fases: Camino de A a B.C
D (100°C,90)2 fases
B (100°C,70)1 fase
• Un cambio en Co puede cambiar el # de fases Camino de B a D.
2 fases 1 fase )
100
80 Lur
a (°
C)
L60
80(líquido)
+ S
Sistema agua-azúcar
Ampe
ratu (Solución líquida
i.e.,jarabe)40
S(sólido Azúcar)
agua azúcar
A (20°C,70)2 fases
70 80 1006040200
Tem 20
0 70 80 1006040200Co =Composición (wt% azúcar)
0
Equilibrio de fases•Equilibrio—Se describe por la función termodinámica llamada energía libre•La energía libre depende de la energía interna y de la entropía•Un sistema está en equilibrio si la energía libre es mínima en condiciones específicasde T, P y C.
Diagrama de equilibrio de fases: recopilación de la información de la microestructurao estructura de fases. Utilidad: permite la predicción de la transformación y de la estructura resultante.
Ejemplo:
Estructuracristalina
electroneg r (nm)Sistema simple de solución (solución Ni-Cu)
je p o
cristalinaNi FCC 1.9 0.1246Cu FCC 1 8 0 1278Cu FCC 1.8 0.1278
• Ambos tienen la misma estructura cristalina (FCC) y tienen electronegatividades similares y radios atómicos parecidos (reglaselectronegatividades similares y radios atómicos parecidos (reglas de W. Hume – Rothery) que sugieren solubilidad mutua.
• Ni y Cu son totalmente miscibles en cualquier composición
Diagramas de faseg• Indican fases como función de T, Co, y P. • Por ahora nos interesa: Por ahora nos interesa:
-sistemas binarios: justo 2 componentes.- variables independientes: T y Co (P = 1 atm es la más usada).
• DiagramaDe fase
• 2 fases:L (líquido)
1600T(°C)
De fasePara el sistemaC Ni
(líquido) (FCC solución sólida)
• 3 campos de fases: 1400
1500 L (líquido)
Cu-Ni LL +
1300Temperatura de
1100
1200 (solución Sólida FCC)
pFusión de loscomponentespuros
wt% Ni20 40 60 80 10001000
Sólida FCC)
Número y tipos de fasesy• Si conocemos T y Co, podemos conocer:
1- El número y tipos de fases presentes
1600T(°C)
y p p
• Ejemplos:
1500
1600L (liquid)
Diagrama
j pA(1100°C, 60):
1 fase:
C,3
5)
1300
1400
de faseCu-Ni
B(1250°C, 35): 2 fases: L +
(125
0°C
1200
1300(FCC solid solution)
Bwt% Ni1000
1100 A(1100°C,60)
wt% Ni20 40 60 80 1000
Composición de las fases
sistema• Si conocemos T y Co, podemos conocer:
2- la composición de cada fase
T(°C)sistema Cu-Ni• Ejemplos:
TA AC = 35 wt% Ni isoterma
2 la composición de cada fase
1300 L (líquido)TA
A TA = 1320°C: Sólo Líquido (L)
Co = 35 wt% Ni
BT
isoterma
1200
(sólido)
CL = Co ( = 35 wt% Ni)A TD = 1190°C:
Sólo sólido ()
TB
DTD
wt% Ni20 30 40 5035
Co32CLA TB = 1250°C:
Sólo sólido () C = Co ( = 35 wt% Ni)
TD
4C3
wt% NioLambas y L
CL = C liquidus ( = 32 wt% Ni) C C ( 43 t% Ni)
C = Csolidus ( = 43 wt% Ni)
Fracción de cada fase• Si conocemos T y Co, podemos conocer:
3- La fracción o porcentaje de cada fase
• Ejemplos:Co = 35 wt% Ni T(°C)
sistemaCu-Ni
T A i tAt TA: Sólo Líquido (L)
WL = 100 wt%, W = 01300 L (líquido)TA A
B
isoterma
Fracción de masa
At TD: Sólo Sólido () WL = 0, W = 100 wt%
1200
(sólido)
BTB
D
R S
At T A b L
t% Ni20
1200 ( )
30 40 5035C
32CL
DTD
4C3
At TB: Ambos y L
%733543 wt
WL S
R S wt% NiCoCL C3243
= 27 wt%
L R +S
W R = 27 wt%W R +S
Regla de la palanca• Rectas de reparto o isotermas– se extienden a lo largo de la
región bifásica y terminan en el límite de fase en cada extremo.
Cuánto hay de cada fase?Podemos verlo como una palanca
1300
T(°C)
L (líquido)isoterma
ML M
300 ( q )
BTB
R S1200
(sólido)
SR
RMSM L wt% Ni
20 30 40 50CoCL C
1. Se traza una isoterma a través de la región bifásica a la temperatura de la aleación2. Se anotan las intersecciones de la isoterma con los dos límites de fase en los extremos3. A partir de estas intersecciones se trazan perpendiculares hasta cortas el eje horizontal de la
composición. Estas últimas corresponden a las composiciones de las fases presentes.
L
L
LL
LL CC
CCSR
RWCCCC
SRS
MMMW
00
Ejemplo: Enfriamiento en el sistema binario Cu Ni
L (líquido)T(°C) L: 35wt%Ni
sistema• Diagrama de fase:
sistema Cu-Ni
binario Cu-Ni
1300 A
sistemaCu-Ni
sistema Cu-Ni.
• El sistema es:binario
L: 35 wt% Ni--binario
i.e., 2 componentes:Cu and Ni.
f
46354332
L 32 t% Ni
B: 46 wt% NiC
D
1200
--isomorfoi.e., solubilidad completa
de un componente en el: 43 wt% Ni
L: 32 wt% Ni
L: 24 wt% Ni
D
E
24 36
(sólido)
potro; el campo de la fase seExtiende de 0 a 100 wt% Ni.
%
: 36 wt% Ni
20 30 40 50110 0
( )
35• Considere
Co = 35 wt%Niwt% Ni
35Co
Co 35 wt%Ni.
Fases segregadas vs. fases en equilibrio
• C cambia al solidificarse.• Caso Cu-Ni : Primera fase en solidificar tiene C = 46 wt% Ni
equilibrio
• Caso Cu-Ni :
• Enfriamiento rápido: • Enfriamiento lento:
Primera fase en solidificar tiene C = 46 wt% Ni.Última fase en solidificar tiene C = 35 wt% Ni.
Enfriamiento rápido:Estructura nucleada
Enfriamiento lento:Estructura en equilibrio
P i lidifi Uniforme C:Primero en solidificar46 wt% Ni
35 wt% Ni
último En solidif. < 35 wt% Ni< 35 wt% Ni
El t lidifi iEl centro se solidifica primeroEs rico en el elemento de mayor T fusión
Propiedades mecánicas: sistema Cu-Ni• Efecto del endurecimiento de la solución sólida en
--Resistencia a la tracción (TS) --Ductilidad (%EL,%AR)
a) L) 60 %EL f C
gth
(MP
400
TS for on (%
EL
50
60
%EL for pure Ni
%EL for pure Cu
e S
treng
300 pure Ni
TS for pure Cu
Elo
ngat
io
30
40
Tens
il
Cu Ni0 20 40 60 80 100
200
E
Cu Ni0 20 40 60 80 10020
--Máximo como función de Co --Mínimo como función de Co
Composition, wt% Ni Composition, wt% Ni
Sistemas eutécticos binarios2 componenteshas a special composition
with a min. melting T.i t
• 3 regiones monofásicasEjemplo: sistema Cu-Ag
sistemaCu-Ag
L (liquid)1200T(°C)
3 regiones monofásicas(L, )
• La solubilidad es limitada
L (liquid)
L + L+800
1000
T 779°C: rica en Cu : rica en Ag
• T : No hay líquido abajo de TE
600
800TE 8.0 71.9 91.2779 C
: Composición con la Menor temperatura de fusión
• TE : No hay líquido abajo de TE
• CE
200
400
p
• Transición Eutéctica Co , wt% Ag
20 40 60 80 1000200
CE
3 i bifá iL(CE) (CE) + (CE) • 3 regiones bifásicas:LL
Ej.1 Sistema Eutéctico Pb-Sn• Para una aleación 40 wt% Sn-60 wt% Pb a150°C, encontrar...
--las fases presentes: Sistema
j +
T(°C)
300
Sistema Pb-Sn--las composiciones de cada fase
CO = 40 wt% SnC = 11 wt% Sn
L+L+200
300 L (liquid)
183°C --la cantidad relativa de
C = 11 wt% SnC = 99 wt% Sn
L+20018.3
100
183 C
61.9 97.8
cada fase:150 SRW=
C - COC - C
SR+S =
+ 100C C
= 99 - 4099 - 11 = 59
88 = 67 wt%
R S
C, wt% Sn20 60 80 1000 40Co
11C99CW =
CO - C
C - C=R
R+S2940 11 = 2988
= 33 wt%= 40 - 1199 - 11
Ej.2 Sistema Eutéctico Pb-Sn
sistema + L
j• Para una aleación 40 wt% Sn-60 wt% Pb a 220°C, encontrar...
--las fases presentes:T(°C)
300
sistemaPb-Sn--composición de las fases:
CO = 40 wt% SnC = 17 wt% Sn
p
L+200
300 L (liquid)
L+
--la cantidad relativa 220 SR
C = 17 wt% SnCL = 46 wt% Sn
L+200
100
183°Cde cada fase:
W=CL - CO
C C =46 - 4046 17
SR
+ 100 CL - C 46 - 17
=629 = 21 wt%
C, wt% Sn20 60 80 1000
29
WL =CO - C
CL - C =2329 = 79 wt%
40Co46CL
17C
CL C 29
Microestructuras en Sistemas Eutécticos : Ien Sistemas Eutécticos : I
T(°C)400
L
L: Co wt% SnAl enfriar lentamente una aleacióna partir del sist. Binario eutéctico se generan varios tipos de microestructuras
L+
300 Lgeneran varios tipos de microestructuras
dependiendo de la composición.
• Co < 2 wt% Sn• Resulta:
--en los extremos
L+ 200 TE
(SistemaPb-Sn)
: Co wt% Sn
--en los extremos--policristales de granos
i.e., sólo una fase sólida.100 +
0Co, wt% Sn
10
2
20Co
30
(lí it d l bilid d T bi t )(límite de solubilidad a T ambiente)
Microestructurasen Sistemas Eutécticos : II
L C t% S
en Sistemas Eutécticos : II• 2 wt% Sn < Co < 18.3 wt% Sn• Resulta: Initialmente líquido +
T(°C)
L400
L: Co wt% Sn
Initialmente líquido + luego sólo finalmente dos fases
L + 300
L
: C wt% Sn finalmente dos fases policristal inclusiones finas de la
200
TE
: Co wt% Sn
fase Sistema Pb S
100+
Pb-Sn
Co , wt% Sn10 200
Co
302 o ,
18.3(sol. limite a TE)
(Límite sol. a Tamb)
Microestructurasen Sistemas Eutécticos : III
• Co = CER lt
en Sistemas Eutécticos : III• Resulta: microestructura Eutéctica (estructura laminar)
--capas alternadas (láminas) de cristales de y .Mi fí d Pb ST(°C) Micrografía de Pb-Sn eutécticomicroestructura
T(°C)
300 LL: Co wt% Sn
sistemaPb-Sn
L200
300 L
L+
183°C
160 m
200
100
TE
160m
20 60 80 1000
100
40
: 18.3 wt%Sn: 97.8 wt% Sn
C, wt% Sn20 60 80 1000 40
18.3 97.8CE61.9
Microestructurasen Sistemas Eutécticos : IV
• 18.3 wt% Sn < Co < 61.9 wt% Sn
en Sistemas Eutécticos : IV 18.3 wt% Sn Co 61.9 wt% Sn
• Resulta: cristales y microestructura eutéctica• Justo arriba de TE :T(°C) L: C wt% Sn L
C = 18.3 wt% SnCL = 61.9 wt% Sn
Ssistema
T( C)
300 L
L: Co wt% Sn LL
SR WL = (1- W) = 50 wt%
SR + S
W= = 50 wt%sistemaPb-Sn
L+200
L+
T SR • Justo abajo de TE :C = 18.3 wt% Sn100 +
TE
primary eutectic
eutectic
C = 97.8 wt% SnS
R + SW= = 73 wt%
20 60 80 1000 4018.3 61.9 97.8 W = 27 wt%
Co, wt% Sn
Hipoeutéctico & Hipereutéctico300 L
p p
T(°C)L+
L+
+
200 TE
(Pb-Sn System)
T( C)
Co, wt% Sn20 60 80 1000
100
40 Co, wt% Sn20 60 80 1000 40
hipereutectico: (illustration only)hipoeutectico: Co = 50 wt% Sn 61.9eutectic
t ti C 61 9 t% S
eutectico: Co =61.9wt% Sn
160 m
175 m
eutectico micro-constituyente
Compuestos intermetálicosp
Mg2Pb
Nota: los compuestos intermetálicos forman una líneaNota: los compuestos intermetálicos forman una línea –no un área – porque la estequiometría es exacta.
Eutectoide y Peritécticoy
• Eutéctico – líquido en equilibrio con 2 sólidos• Eutéctico – líquido en equilibrio con 2 sólidosL + cool
heat• Eutectoide – fase sólida en equilibrio con
intermetallic compound - cementite
• Eutectoide – fase sólida en equilibrio con otras dos fases sólidasS S +S cementite
coolheat
S2 S1+S3
+ Fe3C (727ºC)
P ité ti lí id ólid 1 ólid 2
cool
• Peritéctico - líquido + sólido 1 sólido 2 S1 + L S2 cool
heat + L (1493ºC)
Eutectoide y PeritécticoPeritectic transition + L
y
Cu-Zn Phase diagram
E t t id t iti Eutectoid transition +
Diagrama de fase hierro-carbono (Fe C)(Fe-C)
• 2 puntos importantes 1600
T(°C)importantes
-Eutéctico (A):L +Fe3C
1400 L
+L
A-Eutectoide (B):
+Fe3C entit
e)
1200
1000
(austenite)
+Fe C
L+Fe3C1148°CA
SR
C (c
eme
800
+Fe3C
727°C = Teutectoid
R SB
Fe3C600
4000 1 2 3 4 5 6 6 7
+Fe3CR S
0 1 2 3 4 5 6 6.7(Fe) Co, wt% C4.30
Resultado: Perlita = Capas alternantes de
120 m 0.76
ecto
id Fe3C (cementite-hard) (ferrite-soft)p
y Fe3C fases
Ceu
te (ferrite-soft)
Hypoeutectoid Steelyp1600
L
T(°C)
e)
1400
1200
L
(austenite)
+LL+Fe3C1148°C
(Fe-C System)
emen
tite
1000
(austenite)
+ Fe3C
3
Fe3C
(ce800
600 + Fe3C
727°C
R Sr s
w =s/(r+s)w =(1 w )
F
4000 1 2 3 4 5 6 6.7(Fe) Co, wt% CC0
0.76
pearlite
w =(1- w)
0
100 m Hypoeutectoidsteelw =S/(R+S)
wFe3=(1-w)
wpearlite = wpearlite
Adapted from Fig. 9.30,Callister 7e.proeutectoid ferritepearlite
C
Acero Hipereutectoidep1600
L
T(°C)
e)
1400
1200
L
(austenite)
+LL+Fe3C1148°C
(Fe-C System)
emen
tite
1000
(austenite)
+Fe3C
3
srFe3C
Fe3C
(ce800
600 +Fe3C R S
sr
wFe3C =r/(r+s)
3
F
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
3
(Fe) Co, wt%C0.76
Co
w lit = wpearlite
3w =(1-w Fe3C)
60 mHypereutectoid steel
w =S/(R+S)wFe3C =(1-w)
wpearlite = w
proeutectoid Fe3Cpearlite
Ejemplo: Equilibrio de fasesj p q
Para una aleación 99.6 wt% Fe-0.40 wt% C a una temperatura justo debajo de la p j jeutectoide, determine lo siguiente:
a) composición de Fe C y ferrita ()a) composición de Fe3C y ferrita ()b) La cantidad de carburo (cementite) en
gramos que se forman por 100 g de aceroacero
c) La cantidad de perlita y de ferritat t id ( )proeutectoide ()
Solución:a) Composición de Fe3C y ferrita () CO = 0.40 wt% C
C = 0.022 wt% CC 6 70 t% Cb) La cantidad de carburo (cementita)
en gramos que se forman por 100 g de acero
CFe C = 6.70 wt% C3
100xCFe
CFe3
CC
CCo
1600
1400 L
T(°C)
g7.5100 022076022.04.0
CFe CFe3 3
x
CC
entit
e)1200
1000
(austenite)
+LL+Fe3C1148°C
T(°C)
g5.7CFe
022.07.6
3
3C (c
em
1000
800
+ Fe3C
727°CR S
g 3.94g 5.7CFe3
Fe3
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
+ Fe3C
C CC Co, wt% CCO CFe C3C
c. La cantidad de perlita y ferrita proeutectoide () note: amount of pearlite = cantidad de justoarriba de TE
Co = 0.40 wt% CC = 0 022 wt% CC = 0.022 wt% CCperlita = C = 0.76 wt% C
1600
1400 L
T(°C)
Co CC C
x 100 51.2 g
entit
e)1200
1000
(austenite)
+LL+Fe3C1148°C
T(°C)
3C (c
em
1000
800
+ Fe3C
727°CR S
perlita = 51.2 gproeutectoide = 48.8 g
Fe3
600
4000 1 2 3 4 5 6 6.7
+ Fe3C
C
R S
CC Co, wt% CCOCC
Aleaciones de acero con más elementos
• Teutectoide cambia: • Ceutectoide cambia:
C)
oid
(°C
) TiMo Si
W
id(w
t%
NiCr
T Eut
ecto
Cr
Mn Ceu
tect
o
Ti
Cr
SiMnWMT
wt % of alloying elements
NiMn
wt. % of alloying elementsC Ti Mo
wt. % of alloying elements y g
Resumen• Los diagramas de fase son herramientas útiles para determinar:
-- el número y tipos de fases,-- el wt% de cada fase,-- y la composición de cada fase. Para una T y composición dada del sistema.
• Aleaciones para producir soluciones sólidas usualmente--aumentan la resistencia a la tracción(TS)
di i l d tilid d--disminuyen la ductilidad.• Eutécticos binarios y eutectoides binarios permiten varias microestructurasmicroestructuras
top related