diagramas de fases

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUE - FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA APLICADA MATERIALES II – AÑO 2010

Docentes: M.Zalazar – D.Codega – M.Wesley

TRABAJO PRACTICO Nº 3

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

1) En los diagramas de las figuras: a) Identifique las fases presentes en cada área asignándoles letras griegas. b) Escriba la ecuación de la reacción que tiene lugar en cada línea horizontal. c) Bosqueje la microestructura de la aleación X cuando se la enfría desde líquido hasta temperatura ambiente.

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2) Dibuje diagramas de equilibrio que posean: a) Solubilidad total en el estado sólido. b) Un eutéctico. c) Un peritéctico. d) Un compuesto intermetálico e) Un eutectoide.

3) Para una aleación con 5% de Si y 95% de Al (en peso): a) ¿Cuál es el porcentaje de Si en la fase α a 630; 600; 577 y 550 °C?. b) ¿Cuál es el porcentaje de Si en la fase líquida a 630; 600 y 577 °C?. c) ¿Cuál es el porcentaje de Si en la fase β a 550 °C?.

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4) Para la aleación típica del bloque de un motor con 16% de Si y 84% de Al a) ¿A qué temperatura aparecerán los primeros cristales de sólido al enfriar lentamente el metal fundido?. b) ¿A qué temperatura se solidificará completamente la aleación?. c) ¿Cuál será la composición de β y líquido respectivamente justo antes de que la aleación esté completamente sólida digamos a 578 °C?. d) ¿Cuál será el análisis de las fases α y β en esta aleación a 550 °C?.

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5) En el siguiente diagrama de fases: X1 T

X2

A

B

a) Dibuje dentro de los círculos la microestructura esperada. b) ¿Es posible que se forme fase eutéctica en las aleaciones X1 y X2 durante el enfriamiento?

6) Un estudiante intenta aplicar la regla de las fases a una aleación con 5% de Si y 95% de Al en la región α+L. Ve que se trata de una región de dos fases y que a una presión de 1 atm. la ecuación es  ν ν = C − F + 1 , ⇒  ν ν = 2 − 2 + 1 = 1. Entonces dice que ya que se trata de un área en la cual hay dos variables, composición y temperatura, la ley de las fases es correcta al dar  ν ν =1. ¿Está usted de acuerdo?. ¿Qué implica tener un grado de libertad?.

Otro estudiante aplica la ley de las fases a la temperatura eutéctica para el sistema Al-Si. Dice entonces correctamente que hay tres fases y dos componentes y por lo tanto  ν ν =0. Luego se queja porque tres fases van a estar en equilibrio a 577 °C para aleaciones con porcentajes de Si de 1,6 a 99 %, de tal forma que se requiere fijar valor a otra variable si va a describir el sistema a otro estudiante. ¿Le puede usted ayudar?.

7) Dibuje el diagrama de equilibrio de la Ag y el Cu sabiendo que:

# El Cu funde a 1084,5 ºC y la Ag a 962 ºC. # Ambos forman un eutéctico a 780 ºC que contiene 71,9% de Ag. # La solubilidad del Cu a la temperatura del eutéctico es del 8% y a temperatura ambiente disminuye a un 0.2%. # La solubilidad de la Ag a la temperatura del eutéctico es de 9,8% y a temperatura ambiente también desciende al 0,2%. Identifique las fases presentes y analice tres aleaciones con los siguientes porcentajes de Ag: 1] 5%. 2] 71,9%. 3] 80%. En todos los casos analice el proceso de solidificación desde el estado líquido y dibuje la microestructura a temperatura ambiente.

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8) Los componentes A y B de un sistema binario A-B funden a 1200 ºC y 750 ºC respectivamente. Además, existen resultados experimentales que sugieren las siguientes reacciones:

a) Reacción Peritéctica a 850 ºC: b) Reacción Eutéctica a 600 ºC: c) Reacción Eutectoide a 450 ºC:

α (5% B) + L (50% B) ↔ β (30% B) L (80% B) ↔ β (60% B) + γ (95% B) β (50% B) ↔ α (2% B) + γ (97% B)

Utilizando esta información construya un diagrama de fases (T vs. %B) para el sistema A-B e identifique todas las fases presentes. 9) Analice y dibuje las fases que se forman en la reacción eutectoidea del diagrama Fe-Fe 3C, mediante el enfriamiento de dos aleaciones (una del lado hipoeutectoide y otra del lado hipereutectoide). 10) Examine la discusión de los errores en la construcción del diagrama de fases hipotético. Asegúrese de comprender claramente los argumentos del autor. Luego, trate de explicar por qué el autor incluyó una nueva fase ε, en la que él denominó “versión corregida” del diagrama de fases.

ERROR 1: en el punto b , se viola la regla de la curvatura en el borde. ERROR 2: a lo largo de la línea  a-b  hay sólo dos fases,  β   β β  y  L, en equilibrio. Por lo tanto, la  línea  a-b  es, aparentemente, un límite y no una región invariante y, entonces no debería ser  horizontal ya que, por la regla de las fases, hay un grado de libertad a lo largo de dicha línea. Más aún, la línea  a-b  viola la regla del borde ya que dos regiones bifásicas no pueden ser  vecinas.

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ERROR 3: la región de dos fases,  β   β β  +  α  α,  se extiende por encima de la temperatura de fusión  del elemento A. Esto viola la regla de las fases ya que, en un componente puro el equilibrio  entre dos fases a una presión arbitraria es invariante y, por lo tanto, puede ocurrir a una única  temperatura. Si, intencionalmente se marcara esta región como una región monofásica, para  obviar esta dificultad, se estaría violando la regla del borde, ya que dos regiones de una fase  serían vecinas a lo largo de  d-e  y, una región de una fase sería vecina de una región de tres  fases a lo largo de e-f. ERROR 4: la línea  fghk  es presumiblemente un equilibrio de tres fases y de esta manera un  invariante. El rango de composiciones  gh  para la fase  γ  en γγ     este equilibrio viola la regla de las  fases, para una reacción invariante cada fase puede tener solo una única composición. La  regla de borde también es violada ya que, a lo largo de  gh, una región monofásica linda con  una región trifásica. ERROR 5: se indican cuatro fases en equilibrio, α  α,   β   β β , γ   γ,   y  L , a lo largo de la línea  efghk . Esto  viola la regla de las fases, que nos da un máximo de tres fases que pueden coexistir en  equilibrio en un sistema de dos componentes. ERROR 6: la línea  nmp  viola la regla de las fases, ya que representa un equilibrio de tres  fases y, por lo tanto, es un invariante. Debería ser una línea de temperatura constante.

11) Realizar las curvas de energía libre del diagrama de equilibrio de la Figura, a las distintas temperaturas: T1, T2, T3, T4 y T5.

12) En función de las curvas de Energía Libre a distintas temperaturas mostradas en la FIGURA A, realice el diagrama de equilibrio correspondiente (en forma aproximada y respetando las reglas de construcción de diagramas de equilibrio). Una vez obtenido este diagrama realice lo siguiente: a) Escriba las ecuaciones de las reacciones que tienen lugar en las temperaturas en las que coexisten tres fases. b) Para la aleación "50% A + 50% B": 1] Dar la temperatura de solidificación inicial y final. 2] Dar aproximadamente la composición química y las cantidades relativas de las fases presentes a la temperatura T3. 4] Dibuje la curva de enfriamiento. TP Nº 3 – DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

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5] Bosqueje las microestructuras a distintas temperaturas. ACLARACIONES: Los Nº 1, 2, 3 y 4 corresponden a distintas fases, siendo la Nº 2 la fase líquida. El metal A tiene mayor temperatura de fusión que el metal B. La temperatura T1 es la mayor y la Temperatura T6 es la menor. 13) a) Determinar el porcentaje en peso de los metales Cr, Fe y Ni de un acero inoxidable austenítico (X) a temperatura ambiente. b) Identifique las fases presentes en una aleación de composición: 70% Fe, 20% Cr y 10% Ni a temperatura ambiente

σ

σ + γ  γ 

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14) En el diagrama ternario de los elementos A, B y C se indica el enfriamiento de una aleación “Q”. a) Determine el porcentaje en peso de los elementos A, B y C a temperatura ambiente. b) Indique la correspondencia entre los diagramas isotérmicos y cada punto (1, 2, 3, 4, 5 y 6) del diagrama ternario.

PAGINAS WEB: http://cyberbuzz.gatech.edu/asm_tms/phase_diagrams http://cipres.cec.uchile.cl/~cdolz/ http://www.soton.ac.uk/~pasr1/al-si.htm#page7 http://www.soton.ac.uk/~pasr1/steels.htm#page1 http://www2.ing.puc.cl/icmcursos/metalurgia/apuntes/cap1/18/

BIBLIOGRAFIA: • • • • • • • •

Chalmers. “Metalurgia Física”. Ed. Aguilar. A Guy. “Metalurgia Física para Ingenieros”. Ed. Fondo Educativo Interamericano S.A. Smith W. “Fundamento de la Ciencia e Ing. de Materiales”. McGraw-Hill Cahn R. W. “Physical Metallurgy”. Verhoeven John D. “Fundamentos de Metalurgia Física”. Ed. Limusa M. Bernard, P Talbot. “Metalurgia General” Moniz B. J. “Metallurgy” Shackelford James F. “Ciencia de Materiales para Ingenieros”.

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FIGURA A

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