Diagrama Hierro Carbono

En el diagrama de equilibrio o de fases Fe-C, se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones.Los materiales No Ferrosos son: aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones como el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales y se les denomina aleaciones No ferrosas.

El acero se obtiene cuando se mezcla hierro con carbono. El acero aleado es un acero al que se le añaden elementos de aleacion adicionales al carbono. Al acero que esta formado simplemente por un hierro y carbono se le suele llamar "acero al carbono". 

El acero puede tener las siguientes fases de equilibrio:

1. Ferrita: consiste en átomos de hierro con estructura cristalina BCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales. La cantidad de átomos de carbono presentes en la ferrita es pequeña. La ferrita es una fase muy suave, dúctil y magnética

Ferrita alfa α (0% hasta 0,025%C) Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono, como se puede observar en la Figura 5.3, donde se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono.

La máxima solubilidad es 0,025% C a 723 °C, y disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente.

Ferrita delta δ (0% hasta 0,08%C)

Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492ºC. Las características de la ferrita δ son:

-Muy blanda.

-Estructura cristalina BCC

-Es magnética.

-Muy poca posibilidad de disolución del carbono.

No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1538ºC se inicia la fusión del Fe puro.

2. Austenita: Consiste en átomos de hierro con estructura FCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales. Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita. Es una fase no magnética.

3. Cementita: También llamada carburo de hierro. Es un compuesto intermetalico. Es una fase muy dura y frágil

4.Fase Ledeburita La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.

La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. Está formada por 52% de cementita y 48% de austenita. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin embargo en las fundiciones se puede conocer las zonas donde existió la ledeburita por el aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.

5. Perlita: Es una fase que resulta de la reacción eutectoide del acero. La reacción eutectoide permite que la austenita en estado solido se transforma en ferrita y cementita, ambas también en estado solido. Esta transformación es similar a la reacción eutectica, por lo que la fase resultante tiene una apariencia similar al solido eutectico

los aceros carbonos se pueden clasificar de la siguiente manera:
1. Aceros de bajo carbono. Su porcentaje de carbono es menor a 0,2%. Su microestructura esta formada principalmente por ferrita. Son metales muy suaves,  ductiles y de baja resistencia. Son faciles de deformar plasticamente

2. Aceros de medio carbono. Su porcentaje de carbono oscila entre 0.2 y 0.5%. Su microestructura esta formada por la mezcla de ferrita y perlita. Constituyen la mayoria de aceros al carbono disponibles comercialmente y sus propiedades mecanicas dependen de la cantidad de ferrita y perlita que posean

3.Aceros de alto carbono. Su porcentaje de carbono es mayor al 05%. Tienen dureza y resistencia elevadas. Su ductilidad y tenacidad son bajas

Soluciones Solidas Intermedias

Soluciones solidas: Una solucion solida es una aleacion en la cual un elemento esta disuelto en otro para formar una estructura de fase uncia, El termino fase describe cualquier masa homogenea de materal, tal como un metal en el que los granos tienen la misma estructura reticular. En una solucion solida, el solvente o elemento base es metalico, y el elemento disuelto puede ser metalito o no metalico

regla de fase de gibbs

Regla de las fases de Gibbs



Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo de variables que consideremos. Establece la siguiente relación:

                                                                                                                         

F = C - P + 2



donde  F = número de grados de libertad

    C = número de componentes

       P = número de fases presentes

2 = es el número de variables de estado del sistema (temperatura y presión)

En los casos experimentales que nosotros trataremos, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así establecemos que: P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así pues, la regla de las fases queda establecida para nuestros propósitos empíricos como:

F = C - P + 1

Veamos con un ejemplo la gran utilidad de esta ecuación:

1. Si tenemos un metal puro y nos situamos en su punto de fusión: C=1, P=2 (sólido + líquido).  Así, F=0, con lo que podemos deducir que el punto de fusión es un punto fijo que se da a una temperatura y presión fijas.

2. Si nos situamos en el punto donde coexisten dos fases: C=2, P=2, obtenemos que F=1. Tenemos un único grado de libertad, es posible mantener la microestructura de 2 fases mientras se modifica la temperatura del material (en un rango limitado).

3. Cuando nos situamos en la región donde hay una sola fase a una composición intermedia: C=2, P=1, es por esto que: F=2, tenemos dos grados de libertad,podemos variar tanto la temperatura como la composición en un rango limitado manteniendo la microestructura.

Sistemas eutecticos, binarios e isomorfos

Sistemas eutecticos: Eutéctico es una mezcla de dos componentes con punto de fusión (solidificación) o punto de vaporización (licuefacción) mínimo, inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en estado puro. Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en estado líquido, cuyos componentes son insolubles en estado sólido.

Dados un disolvente y un soluto insolubles en estado sólido, existe para ellos una composición llamada mezcla eutéctica en la que, a presión constante, la adición de soluto ya no logra disminuir más el punto de fusión. Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelación (en caso de líquidos, licuefacción) más baja posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura (temperatura eutéctica).

En procesos a presión constante, el cambio de estado en el caso de un eutéctico, a diferencia de las mezclas tiene lugar a temperatura constante, como en el caso de componentes puros.

-Sistemas isoformos binarios: 

En este diagrama tenemos tres regiones de fases: alfa (α), líquida (L) y bifásica (α+L). La línea que separa la región α de la bifáslínea solidus, mientras que la línea que separa la región líquida de la bifásica se denomina línea liquidus. En el eje de ordenadas, como siempre, tenemos representada la temperatura, mientras que en el eje de abcisas se representa el porcentaje en peso de níquel.

ica se denomina

Conociendo la temperatura y composición, los sistemas binarios nos proporcionan la siguiente información:

1. Fases presentes
2. Composiciones de fases
3. Cantidad de fases

Para determinar las fases presentes en un determinado punto, se localiza el punto definido por la temperatura y composición. En el ejemplo vemos la posición del punto A y B:

El punto A representaría una aleación de 60% en peso de Ni y 40% de Cu a una temperatura de 1100ºC. Al estar situado en la región monofásica α, en este punto tendremos únicamente fase α.

El punto B, sin embargo, se sitúa dentro de la zona de α+L, existiendo en dicha aleación fase α y fase líquida, para una temperatura de unos 1250ºC, 35% en peso de Ni y 65% en peso de Cu.

Para determinar la composición de las fases, debemos tener en cuenta si el punto a considerar se encuentra en la región monofásica o bifásica:

En la región monofásica, como es el caso del punto A, la composición de la fase coincide con la composición total de la aleación. En este caso sólo existe fase α y la composición es 60% en peso de Ni y 40% en peso de Cu.

En la región bifásica, la solución es más complicada y hace necesario emplear líneas horizontales para la temperatura dada, llamadas isotermas o líneas de reparto. Seguiremos el siguiente procedimiento:

Se traza una línea de reparto a la temperatura dada a través de la región bifásica

Se anotan las intersecciones de dicha línea con los límites (solidus y liquidus)

Trazamos una perpendicular a partir de dicha intersección cortando al eje horizontal, lo que nos indicará la composición de cada fase

Diagramas de fase para sustancias puras

-Fase es la porción físicamente homogénea y distinta de un sistema material. Se distinguen tres tipos básicamente:

          a) continua. En una aleación o porción de aleación que contiene más de una fase, es la fase que forma la base o matriz en que la(s) otra(s) fase(s) están presentes como unidades aisladas.

          b) intermedia. En una aleación o un sistema químico, fase distinguible homogénea cuyo rango de composición no se extiende a ninguna de las componentes puras del sistema.

          c) terminal. Solución sólida, representada por un área en cualquiera de los lados extremos de un diagrama binario.

Diagrama de fases
Son representaciones gráficas de presión vs. temperatura, a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia existen. En esta representación se incluye la variación de presión de vapor del sólido y del líquido, y la variación de la temperatura de fusión con la presión.

Los siguientes diagramas corresponden al dióxido de carbono y al agua, en estas representaciones se observan las condiciones de existencia de una sola fase que son las zonas delimitadas por las líneas de equilibrio S-G, S-L, L-G; la existencia de dos fases para las condiciones de P y T a las que existen dichas líneas; y el punto donde confluyen todas las líneas de equilibrio, denominado punto triple, que indica las condiciones de presión y temperatura donde coexisten las tres fases o estados físicos.

Diagrama de fases para el Co2

Si se observan estas representaciones, se deduce que por debajo del punto triple no existe la sustancia en fase líquida, y a la presión atmosférica, el CO₂ sublima por encima de -78ºC. A diferencia del agua su curva de equilibrio de fusión-congelación tiene pendiente positiva, porque el CO₂, al igual que prácticamente el resto de las sustancias, aumenta de volumen al fundirse. En un planeta cuya presión atmosférica fuese mayor que 5,1 atm terrestres, los habitantes podrían nadar en lagos de dióxido de carbono líquido. A una presión, P_c, superior a 72,8 atm y a una temperatura, T_c, de 31ºC, (punto crítico), donde finaliza la línea de equilibrio L-V, desaparece la distinción entre líquido y gas, y solo existe una fase fluida, es decir por mucho que se comprima el gas este no se puede licuar.

Diagrama de fase para el agua

Observando el diagrama para el agua, al ser su fase sólida menos densa que la líquida, (el hielo flota en el agua), esto quiere decir, que está más favorecida la fase líquida a presiones elevadas, (un aumento de la presión favorece siempre la fase más densa) o que el punto de fusión disminuye al aumentar la presión, por tanto la curva S-L tiene pendiente negativa, es por esto que el hielo funde aplicando presión, mientras que el estado líquido de casi todas las demás sustancias solidifica por compresión.

La intersección de la línea P = 1 atm con la curva de equilibrio S-L, da, para el hielo el P.F. de 0ºC, y la intersección con la curva L-G, da, el P.E. del agua, 100ºC.

La distinción entre líquido y gas en el caso del agua, desaparece por encima de la P_c = 218 atm

Información que podemos obtener de los diagramas de fase:

1. Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.

3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.