2. Una pieza de acero de 50 Kg contiene 800 g de carbono. Se pide: a) ¿De que tipo de aleación se trata?. trata?. b) ¿Cuáles son sus constituyentes constituyentes y su estructura estructura a temperatura temperatura ambiente? ambiente? c) ¿Cuál es su densidad a temperatura ambiente, sabiendo que la densidad del hierro “α” es de 7,87 g/cm 3 y la de la cementita “Fe 3C” de 7,54 g/cm 3?.
a) Calculamos en primer lugar el porcentaje de carbono que posee: %C
800 50.000
100 1,6% Por
tanto se trata de un acero hipoeutectoide.
b) A partir del diagrama diagr ama calculamos los constituyentes y su composición o estructura:
% Ferrita Ferrita
6,67 1,6 6,67
100 76% (0%C , 100% Fe)
%Cementita 24%(6,67%C , 93,33% Fe)
c) Finalmente la densidad (ρ) será: ( ) ( Fe3 C )
7,87 0,76 7,54 0,24 7,79
g cm
3
3. Un acero hipoeutectoide hipoeutectoide (0,4%C) se enfría lentamente desde 970 ºC hasta la temperatura ambiente. Calcula a partir del diagrama Hierro-Carbono simplificado: simplificado: a) Las fracciones de Austenita de Austenita (γ) y Ferrita (α) proeutectoide (α) proeutectoide que contendrá dicho acero cuando se halle a una temperatura justo por encima de la eutectoiude (723+ΔT). b) Las fracciones de Ferrita (α) y (α) y C ementita ementita (F e 3C ) que contendrá el acero cuando se halle a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723- ΔT). (723- ΔT). c) Las cantidad de ferrita eutectoide (secundaria) que contendrá la perlita a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723- ΔT). (723- ΔT).
a)
% Ferrita
0,89 0,4 0,89 0,02
100 56% (Pr oeutectoid e)
con 0,02%C y 99,98% Fe % Austenita 44%
b)
con 0,89%C y 99,1% Fe
% Ferrita
6,67 0,4 6,67 0,02
100 94% (total )
con 0,02%C y 99,98% Fe %Cementita 6%
con
con 6,67%C y 93,33% Fe
c) Teniendo en cuenta que la “austenita” se transforma en “perlita” y que la cantidad total de ferrita es del 94%, la cantidad de ferrita eutectoide que contiene la perlita la obtenemos restando el 94% total menos el 56% de ferrita proeutectoide (primaria):38%.
4. Un acero hipereutectoide (1,2%C) se enfría lentamente desde 970 ºC hasta la temperatura ambiente. Calcula: a) Las fracciones de A us tenita ( ) y C ementita (F e 3C ) proeutectoide que contendrá dicho acero cuando se halle a una temperatura justo por encima de la eutectoiude(723+ΔT). b) Las fracciones de Ferrita (α) y C ementita (F e 3C ) que contendrá el acero cuando se halle a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723- ΔT). c) La cantidad de cementita eutectoide que contendrá la perlita a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723- ΔT).
a)
%Cementita % Austenita
% Ferrita
6,67 1,2 6,67 0,02
1,2 0,89 6,67 0,89
100 5,36%
94,64%
NOTA: la austenita (γ) posteriormente se transforma en Perlita (ferrita+cementita).
100 82,25% (total )
%Cementita 17,75% (total )
b)
c) Teniendo en cuenta que la cantidad total de cementita es del 17,75% y que la cantiadad de cementita proeutectoide es del 5,36%, la cantidad de cementita eutectoide que contiene la perlita será será por tanto del 12,39%; es decir: Fe3C(eutectoide)= Fe3C(total)- Fe3C(proeutectoide)=17,75-5,36=12,39%
1. y 2 - a) 0.17% de C Comienza a solidificar a una temperatura (T 1) aproximada de 1520 ºC con primeros gérmenes de Fe δ (0.06 % C). A medida que desciende la temperatura hasta (T 2) 1495 ºC + dT, la fracción sólida va haciéndose más importante en masa a expensas de la fase líquida cuya composición varía desde el 0.17 %C inicial hasta el 0.53 %C a esta temperatura, simultáneamente la fase sólida se concentra en C hasta alcanzar la composición 0.09 %C. Si el enfriamiento se verifica en condiciones de equilibrio, la fase sólida va homogeneizándose a medida que avanza la solidificación, mediante la acción de la difusión en fase sólida.
T 2 =1496 ºC: Fe δ (0.09 % C) = 81,8% Líquido ( 0.53 % C) = 18,2 % A T 3 =1495ºC : Reacción peritéctica: Fe δ (0.09 % C) + Líquido ( 0.53 % C) ⇔ Fe γ (0.17 % C) A T 4 = 1494ºC: temperatura a la cual se termina la solidificación, quedando toda la aleación formada por una única fase sólida, Fe γ (0.17 % de C). Fe γ (0.17 % C) = 100% Durante el enfriamiento que sigue hasta los 850 ºC, la única fase presente es Fe (0.17 % de C).
γ
Durante el enfriamiento entre 850 y 727 ºC + dT, se produce la separación del Fe α (0.022 % de C), mientras que el Fe γ (0.17 % de C) se concentra en C hasta alcanzar la concentración 0.77% de C. A T 5= 727 + dT = 728ºC: Fe γ (0.77 % C) = 19,8% Fe α (0.02 % C) = 80,2% A T 6= 727ºC: Reacción eutectoide: Fe γ (0.77 % de C) ⇔ Fe α (0.02 % de C) + Fe 3C (6.67 % de C) A T 7= 727 - dT = 726ºC: Fe α (0.02 % de C) = 97,75% Fe3C (6.67 % C) = 2,25 % Durante el enfriamiento entre 726 ºC hasta temperatura ambiente se produce la separación de C del Fe α (desde 0.022 % de C hasta 0% a 500ºC) en forma de Fe3C. A T 8= 0ºC : Fe α (0.00 % de C) = 95,5% Fe3C (6.67 % C) = 4,5 %
b) 0.3% de C
T 1 = 1525 ºC: Primeros gérmenes de Fe T 2 =1496 ºC: Fe δ (0.09 % C)
⇔
δ
(0.04 % C).
Líquido ( 0.53 % C)
Fe δ (0.09 % C) = 52.3 % Líquido ( 0.53 % C) = 47.7 % T 3 = 1495ºC: Reacción peritéctica: Fe δ (0.09 % C) + Líquido ( 0.53 % C) ⇔ Fe γ (0.17 % C) T 4 = 1494ºC:
Fe γ (0.17 % C)
⇔
Líquido ( 0.53 % C)
Fe γ (0.17 % C) = 63.9 % Líquido ( 0.53 % C) =36.2 % T 5 = 1470 ºC: Fe γ (0.3 % de C).= 100% Durante el enfriamiento que sigue hasta los T 6 = 800 ºC, la única fase presente es Fe γ (0.3 % de C). Durante el enfriamiento entre 800 y 727 ºC + dT, se produce la separación del Fe α (0.02 % de C), mientras que el Fe γ (0.3 % de C) se concentra en C hasta alcanzar la concentración 0.77% de C a 727 ºC . T 7 = 727 + dT= 728ºC Fe γ (0.77 % C) Fe γ (0.77 % C) = 62.7 % Fe α (0.02 % C) = 37.3 %
⇔
Fe α (0.02 % de C)
T 8 = 727 ºC : Reacción eutectoide: Fe γ (0.77 % de C) ⇔ Fe α (0.02 % de C) + Fe 3C (6.67 % de C) T 9 = 727 – dT = 726ºC: Fe α (0.02 % de C) Fe α (0.02 % de C) = 95.8 % Fe3C (6.67 % C) = 4.2 %
⇔
Fe3C (6.67 % de C)
Durante el enfriamiento entre 726 ºC hasta temperatura ambiente se produce la separación de C del Fe α (desde 0.022 % de C hasta 0% a 500ºC) en forma de Fe3C. A T 10’ = 0ºC : Fe α (0.00 % de C) = 95,5% Fe3C (6.67 % C) = 4,5 %
c) 0.53% de C
T 1 = 1495ºC: Primeros gérmenes de Fe γ (0.17 % C)
⇔
Líquido ( 0.53 % C)
Fe γ (0.17 % C) = 0 % Líquido ( 0.53 % C) =100 % T 2 = 1400 ºC: Fe γ (0.53 % de C).= 100% Durante el enfriamiento que sigue hasta los T 3 = 750 ºC, la única fase presente es Fe γ (0.53 % de C). Durante el enfriamiento entre 750 y 727 ºC + dT, se produce la separación del Fe α (0.02 % de C), mientras que el Fe γ (0.53 % de C) se concentra en C hasta alcanzar la concentración 0.77% de C a 727 ºC . T 4 = 727 + dT= 728ºC Fe γ (0.77 % C) Fe γ (0.77 % C) = 68,0 % Fe α (0.02 % C) = 32.0 %
⇔
Fe α (0.02 % de C)
T 5 = 727 ºC : Reacción eutectoide: Fe γ (0.77 % de C) ⇔ Fe α (0.02 % de C) + Fe 3C (6.67 % de C) T 6 = 727 – dT = 726ºC: Fe α (0.02 % de C) Fe α (0.02 % de C) = 92.3 % Fe3C (6.67 % C) = 7.7 %
⇔
Fe3C (6.67 % de C)
Durante el enfriamiento entre 726 ºC hasta temperatura ambiente se produce la separación de C del Fe α (desde 0.022 % de C hasta 0% a 500ºC) en forma de Fe3C. A T 7’ = 0ºC : Fe α (0.00 % de C) = 92,1% Fe3C (6.67 % C) = 7,9 % d) 0.77% de C
T 1 = 1450 ºC:
Fe γ (0.3 % C)
⇔
Líquido ( 0.77 % C)
Fe γ (0.3 % C) = 0 % Líquido ( 0.77 % C) =100 % T 2 = 1370 ºC: Fe γ (0.77 % de C).= 100%
Durante el enfriamiento que sigue hasta los 727 ºC, la única fase presente es Fe γ (0.77 % de C). T 3 = 727 ºC : Reacción eutectoide: Fe γ (0.77 % de C) ⇔ Fe α (0.02 % de C) + Fe3C (6.67 % de C) Fe α (0.02 % de C) = 88.8 % Fe3C (6.67 % C) = 11.2 % Durante el enfriamiento entre 727 ºC hasta temperatura ambiente se produce la separación de C del Fe α (desde 0.022 % de C hasta 0% a 500ºC) en forma de Fe3C. A T 4’ = 0ºC : Fe α (0.00 % de C) = 88,5% Fe3C (6.67 % C) = 11,5 % 6. Una fundición de composición eutéctica (4 %C) se enfría lentamente desde 1200 ºC hasta la temperatura ambiente. Calcula: a) Las fracciones de A us tenita ( ) y C ementita (F e 3C ) que contendrá la aleación cuando se halle a una temperatura justo por debajo de la eutéctica (1130- ΔT). b) Las cantidades relativas de A us tenita ( ) y las distintas clases de Cementita (F e 3C ) que contendrá la fundición a una temperatura justo por encima de la eutectoiude (723+ΔT). c) Las cantidades relativas de todos los microconstituyentes cuando la fundición se halle a una temperatura justo por debajo de la eutectoiude (723- ΔT).
a) A la temperatura por debajo de la eutéctica la fundición se encuentra en un
campo bifásico Austenita y Cementita de composición:
% Austenita
6,67 4 6,67 2,11
100 58,5%
% Cementita eutectica 41,5%
Ambas no aparecen de forma aislada sino formando un compuesto eutéctico denominado ledeburita
b) A una temperatura justo por encima de la eutectoide la aleación permanece en el mismo campo bifásico de composición:
% Austenita
6,67 4 6,67 0,89
100 46,2%
% Cementita total 53,8%
Se observa que la cementita aparece de dos formas: como cementita eutéctica (41,5%) y como cementita proeutectoide (12,3%), que será la diferencia entre la cementita total (53,8%) y la eutéctica (41,5%)
c) A una temperatura por debajo de la eutectoide tendremos dos fases, ferrita y cementita de composición:
% Ferrita
6,67 4 6,67 0,02
100 40,15%
% Cementita 59,85%
Se observa por tanto que ha ido aumentando la cantidad de cementita ya que ahora se ha creado la cementita eutectoide asociada a la ferrita (perlita): Fe3C (eutectoide)
59,8% 12,3%
Fe3 C (total ) Fe3C ( proeutecto ide) Fe3 C (eutéctica)
41,5%
6,05%
7. Indicar el tipo de transformaciones que tienen lugar durante el proceso de solidificación de una aleación Fe-C (sistema metaestable) con el 3,5% de carbono así como la proporción en cada caso de las fases que se pueden formar según la solidificación de equilibrio metaestable Fe-CF3. ¿ Cual será la temperatura a la cual comienza a precipitar la primera fase sólida?
Austenita primaria:
4,3 3,5 4,3 2,11
·100 = 36%
Liquido eutéctico (ledeburita):
Cementita eutéctica:
3,5 2,11 4,3 2,11
3,5 2,11 6,67 2,11
100 % de ledeburita;
6,67 6,67
·100 = 64%; 100-36 = 64%
·100 = 31%
4,30 2,11
·100
52% Fe ;
4,30
6,67
2,11 ·100 2,11
48% Fe3C por tanto:
0,64· 48 = 31 % de cementita eutéctica. Cementita proeutectoide: (
Cementita eutectoide: (
Cementita terciaria: (
3,5 0,77 6,67 0,77
3,5 0,0218 6,67 0,0218
3,5 0,002 6,67 0,002
·100) – (
·100) – (
·100) – (
3,5 2,11 6,67 2,11 3,5 0,77
6,67 0,77
3,5 0.0218 6.67 0.0218
·100) = 15%
·100) = 6%
·100) = 1%
Cementita total: (31 + 15 + 6 + 1) = 53% Temperatura de comienzo de la solidificación:
1495 1148 T
1148
=
4,3 0,53 4,3 3,50
; T = 1222ºC
8. Calcular la composición de las fases y las temperaturas criticas que se obtendrán durante el proceso de solidificación de equilibrio de una aleación Fe-C con el 1,0 % C. Concretamente determinar las siguientes: a) Temperatura a la cual se inicia el proceso de solidificación b) Temperatura final del proceso de solidificación c) Cantidad que puede existir de Austenita antes de que comience la precipitación de la cementita proeutectoide o secundaria. d) Cantidad de cementita proeutectoide e) Cantidad de cementita eutectoide f) Cantidad de cementita total
a)
b)
1495 1148 1495 T
=
1495 1148 1495 T
=
4,3 0,53 1 0,53
; T = 1452ºC
2,11 0,17
1 0,17
; T = 1347 ºC
Intervalo de solidificación: Tl-Ts = 1452 – 1347 = 105 ºC
c) Entre 1347ºC y la temperatura de aparición de la cementita todo el sistema es monofásico de
austenita. 1148 727 1148 Tcement
=
2,11 0,77 2,11 1,0
; Tcement = 799 ºC
Por tanto entre 1347ºC y 799ºC todo es austenita. d) Cementita proeutectoide:
e) Cementita eutectoide: (
1,0 0,77 6,67 0,77
1,0 0,0218 6,67 0,0218
·100 = 4,0%
·100) – (
1,0 0,77 6,67 0,77
·100) = 10,8%
f) Cementita terciaria: (
1,0 0.002 6,67 0,002
·100 ) – (
1,0 0,0218 6,67 0,0218
·100) = 0,20%
Cementita total: Cementita proeutectoide + Cementita eutectoide + Cementita terciaria = ( 4 + 10,8 + 0,20 ) = 15%
9. Durante el proceso de solidificación de equilibrio de un acero con el 0,30% C, calcular: a) La temperatura de inicio del proceso de solidificación. b) La temperatura final del proceso de solidificación. c) La máxima cantidad de ferrita delta que puede formarse. d) La cantidad de austenita eutectoide. e) La cantidad de ferrita alfa que se forma antes de la reacción eutectoide (ferrita proeutectoide). f) La cantidad de ferrita eutectoide.
a) Temperatura de inicio de solidificación: 1538 1495
0,53 0,53 2,3043 T 1495 0,53 0,30 0,23
T ºC 1538
43 T 1495 2,3043 T 1514 º C
T 1495
0
0,30
0,53
0,17
0,30
2,11
%C
b) Temperatura final del proceso de solidificación: 1495 1148
2,11 0,17 1,94 1,0718 T 1148 2,11 0,30 1,81
T ºC 1495
347 (T 1148) 1,0718 T 1472º C
c) Máxima cantidad de ferrita δ: 52 %
T 1148
%C
0,53 0,30 52% ; 48% líquido con el 0,53% C 0 , 53 0 , 09
100
Austenita Peritéctica (0,17%): 64%
0,53 0,30 100 64% ; 0 , 53 0 , 17
36% líquido C = 0,53%
Líquido transformado en la reacción Peritéctica: 12% d) Austenita eutectoide (0,77%):
0,30 0,0218 100 37% 0 , 77 0 , 0218
e) Ferrita α proeutectoide: 100 – 37 = 63% de ferrita proeutectoide
f) Ferrita eutectoide:
6,67 0,77 100 88,75% 6 , 67 0 , 0218
% Ferrita en la Perlita:
37 0,8875
33% de ferrita eutectoide
Cementita eutectoide: 0,30 0,0218
6,67 0,0218
4%
Temperatura de inicio de la formación de ferrita α:
T ºC 912 T
727 0
0,30
0,77
%C
912 727 1,6383 0,77 0,30 T 727 0,77
185 1,6383 T 727 T 840º C
