Procesos Soldadura

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Diagramas de Equilibrio de Fases
1. Dado el diagrama de equilibrio adjunto, correspondiente a una
aleación de dos componentes con solubilidad total en los estados sólido
y líquido, hallar las temperaturas, concentraciones y porcentajes de
sólido y líquido correspondientes a los puntos señalados.
Solución:
En primer lugar determinamos las coordenadas de los puntos A, B, C y
D, lo que nos dará las temperaturas y la composición de la aleación en
porcentajes de los componentes A y B.
Temperatura ºC Aleación
A 825º 77%A-23%B
B 775º 45%A-55%B
C 925º 40%A-60%B
D 1050º 20%A-80%B
Veamos ahora la composición química de las fases presentes,
comprobando los puntos de corte de las horizontales con las curvas de líquido
y sólido:
Punto A.
A=77%, B=23%
Líquido: A=20%, B=80% Sólido: A=77%, B=23%
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Diagramas de Equilibrio de Fases
Punto B.
A=45%, B=55%
Líquido: A=15%, B=85% Sólido: A=67%, B=33%
Punto C.
A=40%, B=60%
Líquido: A=40%, B=60% Sólido: A=90%, B=10%
Punto D.
A=20%, B=80%
Líquido: A=20%, B=80% Sólido: No hay porción de sólido, todo es
líquido.
Por último, veremos las cantidades relativas de sólido y líquido
presentes en cada uno de los puntos.
Punto A.
77 − 20
W solido= ·100 = 100%
77 − 20
W liquido= 0%
Punto B.
85 − 55
W solido= ·100 = 58%
85 − 33
W liquido= 100 - 58= 42%
Punto C.
90 − 40
W liquido= ·100 = 100%
90 − 40
W sólido =0%
Punto D.
W liquido = 100%; W sólido =0%
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Diagramas de Equilibrio de Fases
2. Dado el diagrama Cu-Ni determina el número de fases, la
composición y la cantidad relativa de cada fase para una aleación del 50%
de Ni a 1300°C, así como la temperatura de inicio y fin de solidificación de
ésta.
Solución:
Tenemos en el punto pedido 2 fases, una líquida y otra sólida. Veamos
los porcentajes de Cu y Ni en estas dos fases:
Fase líquida:
Cu = 34%, Ni = 66%
Fase sólida:
Cu = 95%, Ni = 5%
Comprobemos ahora las cantidades relativas de sólido y liquido:
50 − 34
W sólido= ·100 = 26%
95 − 34
W líquido= 100 – 26 = 74 %
Por último, las temperaturas de inicio y fin de solidificación son,
respectivamente, 1375º y 1125º C.
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Diagramas de Equilibrio de Fases
3. Para cada aleación, A, B y C,
a) Determinar el número de fases, la composición y la cantidad
relativa de cada fase.
b) Temperatura de inicio y fin de solidificación de la aleación.
c) ¿Qué tipo de diagrama es?
Solución:
a)
Punto A. Existe una sola fase líquida.
Cu=70%; Ni=30%
La cantidad relativa de líquido es del 100% y del sólido del 0%.
Punto B. Existe dos fases, una líquida y otra sólida.
Cu=30%; Ni=70%
En la fase sólida, Cu=25% y Ni= 75%
En la fase líquida, Cu= 75% y Ni= 25%
Porcentajes relativos:
75 − 30
W sólido= ·100 = 90%
75 − 25
W liquido = 100-90 = 10%
Punto C. Existe una sola fase sólida.
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Diagramas de Equilibrio de Fases
Cu=55%; Ni=45%
La cantidad relativa de sólido es del 100% y del líquido del 0%.
b)
A B C
T inicio 1350ºC 1450ºC 1400ºC
T fin 1000ºC 1300ºC 1100ºC
c)
Se trata de un diagrama de una aleación binaria de 2 elementos, (Cu y
Ni) totalmente solubles en estado líquido y sólido.
4. Analizar, a la temperatura de 250°C, la composición de una
aleación de 85% de Bi y 15% de Cd según el diagrama de solubilidad de
la figura.
Solución:
En el punto pedido tenemos 2 fases, una líquida y otra sólida.
Fase líquida.
Bi= 80%; Cd=20%
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Fase sólida.
Bi=100%, Cd=0%
Porcentajes relativos:
100 − 85
W líquido= ·100 = 75%
100 − 80
W sólido = 100 - 75 = 25%
5. Basándose en el diagrama adjunto, calcular:
a) Número de fases, composición y cantidad relativa de cada fase
para una aleación del 30% de Pb a 250°C.
b) Idem para una aleación del 60% de Sn a 350°C.
Solución:
a) En este punto tenemos 2 fases, una sólida y otra líquida.
Fase sólida.
Pb=20%, Sn=80%
Fase líquida.
Pb=70%, Sn=30%
Porcentajes relativos:
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Diagramas de Equilibrio de Fases
70 − 30
W sólido = ·100 = 80%
70 − 20
W líquido = 100 - 80 = 20%
b)
En este otro punto tenemos 1 sola fase líquida.
En este líquido el porcentaje de Pb es del 40% y el del Sn del 60%
6. Un acero de composición eutectoide (0,77%C) se enfría
lentamente desde 750°C hasta una temperatura justo por debajo de la
eutectoide. Calcular las cantidades de ferrita y cementita que están
presentes en la perlita resultante.
Solucion:
Al cruzar la isoterma eutectoide la austenita, por la reacción eutectoide,
se transformará integramente en una mezcla de ferrita y cementita.
Para determinar las fracciones de estos constituyentes se aplica la regla
de palanca.
6,67 − 0,77
Wα= ·100 = 88,72% de ferrita.
6,67 − 0,02
0,77 − 0,02
W Fe3C = ·100 = 11,28% de cementita.
6,67 − 0,02
Conclusión: un acero de composición eutectoide estará constituido por:
un 11,28% de cementita (Fe3C) y un 88.72% de ferrita (hierro α) formando la
denominada perlita.
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7. Dadas los siguientes aceros, indicar las fases y la composición
de:
a) Una aleación con un 1% de Carbono, a las temperaturas de 600 y
960°C.
b) Una aleación con el 2% de carbono, a la temperatura de 960°C.
Datos: a 960°C el carbono puede disolverse en la austenita hasta un
1,5% y a 600°C el carbono puede disolverse en la ferrita hasta un 0,067%
Solución:
a) En la aleación del 1% de Carbono, a 600°C tenemos hierro α (ferrita)
y cementita Fe 3 C (ver punto a 1 de la figura).
A 960 °C nos tenemos 100% de austenita (punto a 2 de la figura).
b) En la aleación del 2 % de carbono, a la temperatura de 960°C,
tenemos austenita y Cementita (ver punto b de la figura).
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8. Un acero hipereutectoide de 0,5% C se enfría muy lentamente
desde la fase austenítica hasta la temperatura ambiental.
Determinar:
Las fracciones de los componentes del acero en el enfriamiento
hasta temperatura ambiente al pasar por los diferentes campos de
diagrama Fe-C.
Solucion:
a) Componentes justo por encima de la temperatura eutectoide: 727º C
El acero se halla en el campo bifásico ferrita + austenita. Esta ferrita es
la denominada proeutectoide ya que se forma antes de la reaccción eutectoide.
Los porcentajes de los componentes se calculan aplicando la ley de la
palanca:
0,5 − 0,022
% austenita = ·100 = 63,9 %
0,77 − 0,022
0,77 − 0,5
% ferrita proeutectoide = ·100 = 36,1 %
0,77 − 0,022
b) Componentes justo por debajo de la temperatura eutectoide: 727º C
El acero se halla en el campo bifásico ferrita + cementita. La ferrita
aparece de de dos formas estructurales, como ferrita proeutectoide formada
hasta la transformación eutectoide y como ferrita eutectoide formada en esta
reacción.
La ferrita eutectoide y la cementita no aparecen aisaladas, sino
mezcladas formando la perlita.
Porcentajes:
6,67 − 0,5
% ferrita (pro y eutectoide) = ·100 = 92,8 %
6,67 − 0,022
0,5 − 0,022
% cementita = ·100 = 7,2 %
6,67 − 0,022
Expresándolo de forma que aparezca el porcentaje de perlita:
% ferrita eutectoide = % ferrita total - % ferrita proeutectoide = 92,8% -
36,1 = 56,7 %
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Diagramas de Equilibrio de Fases
% perlita = % ferrita eutectoide % cementita = 56,7% + 7,2 % = 63,9%
c) Componentes a temperatura ambiente.
Como la solubilidad del carbono en la ferrita apenas varía desde la
temperatura eutectoide hasta la ambiental se considera que su constitución es
idéntica a la calculada para una temperatura justo bajo la eutectoide en el
apartado anterior.
9. Un acero hipereutectoide de 1,2% C se enfría muy lentamente
desde la fase austenítica hasta la temperatura ambiental.
Determinar:
Las fracciones de los componentes del acero en el enfriamiento
hasta temperatura ambiente al pasar por las diferentes campos de
diagrama Fe-C.
Solucion:
a) Componentes justo por encima de la temperatura eutectoide: 727º C.
El acero se encuentra en el campo bifásico austenita + cementita. Esta
cementita es la denominada proeutectoide ya que se forma antes de la
reaccción eutectoide.
Porcentajes de los componentes:
6,67 − 1,2
% austenita = ·100 = 92,71 %
6,67 − 0,77
1,2 − 0,77
% cementita proeutectoide = ·100 = 7, 2 %
6,67 − 0,77
b) Componentes justo por debajo de la temperatura eutectoide: 727º C.
El acero se halla en el campo bifásico ferrita + cementita. La cementita
aparece de de dos formas estructurales, como cementita proeutectoide
formada hasta la transformación eutectoide y como cementita eutectoide
formada en esta reacción.
6,67 − 1,2
% ferrita = ·100 = 82,2 %
6,67 − 0,022
1,2 − 0,022
% cementita (pro y eutectoide) = ·100 = 17,7 %
6,67 − 0,022
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Veamos que porcentaje de perlita tenemos en este acero:
% cementita eutectoide = % cementita total - % cementita proeutectoide
= 17,7% - 7,2 = 10,5 %
% perlita = % ferrita % cementita eutectoide = 82,2 % + 10,5 % = 92,7%
c) Componentes a temperatura ambiente.
Como la solubilidad del carbono en la ferrita apenas varía desde la
temperatura eutectoide hasta la ambiental se considera que su constitución es
idéntica a la calculada para una temperatura justo bajo la eutectoide en el
apartado anterior.
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