DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS CUESTIONES 1. ¿En qué consiste el fenómeno de la subfusión en el proceso de cristalización? 2. ¿Qué condiciones deben cumplir dos metales A y B para que sean totalmente solubles en estado sólido, en cualquier proporción? 3. ¿Qué son los agentes nucleantes de un material metálico? ¡Cómo actúan durante la solidificación de un metal? 4. Razona cuáles deberían ser las condiciones existentes en un metal puro para que únicamente se formase un cristal. 5. En términos generales razona cómo será la microestructura de dos piezas de un mismo metal puro, una de ellas enfriada de forma rápida, y la otra con una baja velocidad de enfriamiento. ¿Cuál será la pieza de mayor resistencia mecánica y cuál la más frágil? 6. ¿Puede el agua pura permanecer en estado líquido por encima de 100ºC? ¿En qué condiciones de presión? ¿Por qué crees que sucede esto? 7. ¿Qué diferencia existe entre una transformación eutectoide y una eutéctica? 8. Si aplicamos la ley de Gibss a la solidificación de un material puro, ¿Qué podemos decir de las temperaturas de inicio y final de solidificación partiendo del metal en estado fundido?. Razona la respuesta 9. ¿Qué dos condiciones debe cumplir una aleación para que pueda ser considerada como tal? 10. Las propiedades mecánicas de un material metálico aumenta al disminuir el tamaño de sus granos. ¿Qué dos métodos existen para obtener este fin? 11. ¿Qué diferencia existe entre una transformación eutectoide y una eutéctica? 12. ¿Qué es una aleación eutéctica 1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS PROBLEMAS 1. Un acero (0,4% de carbono) hipoeutectoide (ver figura) se somete a enfriamiento lento desde 940ºC a una temperatura ligeramente superior a 723ºC. Calcular: a. El tanto por ciento en peso de austenita presente en el acero. b. El tanto por ciento en peso de ferrita proeutectoide presente en el acero. c. Si el acero anterior se somete a un enfriamiento lento desde 940 ºC hasta una temperatura ligeramente inferior a 723 ºC, calcular el tanto por ciento en peso de ferrita y el tanto por ciento en peso de cementita presentes en el acero. Soluciones: a) 48,71 % (0,8 % C, 99,2 % Fe) b) 51,29 % (0,02 % C, 99,98 % Fe) 2 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS c) Ferrita: 94 % 0,02 % C, 99,98 % Fe). Cementita: 6 % (6,67 % C, 99,33 % Fe) 2. En el diagrama de la figura, indicar: a. Los grados de libertad de cada punto, línea y área definidos en el diagrama. b. ¿Existe algún punto donde estén en equilibrio tres fases? En caso afirmativo indicar cuál es y la reacción que tiene lugar en él. 3. Analizar las cantidades y concentraciones de las fases de un acero de 0,77% en carbono a las siguientes temperaturas: a. 10.000 ºC. b. 7.500 ºC. c. 7.280 ºC. d. y a la temperatura ambiente. 3 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS Soluciones: d) Wferrita = 88,5 % (0 % C, 100 % Fe) Wcementita = 11,5 % (6,67 % C, 93,33 % Fe) 4. ¿Cuáles son los porcentajes de fase α y de líquido en una aleación de 5% de Si y 95% de Al a la temperatura de 578 ºC. Soluciones: 30,8 % de líquido (1,65 % Si, 99,35 % Al) y 69,2 % de α (12,6 % Si, 87,4 % Al) 5. Aceptando que la composición de la perlita es de 0,77% de Carbono a 727 ºC. Se pide: a. Determinar los constituyentes y el tanto por ciento de los mismos en un acero del 0,25 % de Carbono. 4 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS b. Calcular la cantidad de carbono que sería necesario difundir en una masa de 30 Kg de dicho acero para que fuese totalmente perlítico a la misma temperatura. Soluciones: a) 69,5 % de ferrita proeutectoide (0,0218 % C, 99,9782 % Fe) y 30,5 % de perlita (0,77 % C, 99,23 % Fe), de la cual un 27,07 % es de ferrita eutectoide (0,0218 % C, 99,9782 % Fe) y un 3,43 % es de cementita eutectoide (6,67 % C, 93,33 % Fe) b) 157,2 g de C 6. Dos metales A y B presentan solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total después de la solidificación. Sabiendo que sus temperaturas de fusión son, respectivamente, de 1.000 ºC y 700 ºC, y que a la temperatura de 500 ºC forman un eutéctico conteniendo un 60 % del metal A. a. Dibujar el diagrama de equilibrio suponiendo que las curvas de inicio de solidificación son rectas. b. Determinar la cantidad de una solución del 80% de A que hay que añadir a 500 gramos de una solución en que ambos metales entran en la misma proporción para obtener una eutéctica al solidificar. Soluciones: b) 250 g de solución 7. Dada la porción del diagrama Hierro-Carbono de la figura adjunta, calcular: a. ¿Cuál será el contenido en Carbono cuya temperatura en A3 es de 800 ºC?. b. ¿Qué cantidad de Carbono puro tenemos que añadir a 300 Kg del acero anterior para obtener una solución perlítica a la temperatura ambiente? Soluciones: a) 0,4628 % C b) 0,92875 kg 8. El diagrama de equilibrio fisico-químico de dos metales A y B, es el de la figura adjunta. Si a 300 Kg. de una aleación con el 40% del metal B en peso le añadimos una solución sólida saturada de B en A a la temperatura eutéctica, ¿Qué cantidad de solución sólida 5 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS saturada será preciso agregar para que a dicha temperatura obtengamos el eutéctico AB? Soluciones: 150 kg 9. ¿Cuales serán, a temperatura ambiente, los porcentajes de ferrita y cementita existentes en una aleación hierro-carbono, con un 1,5% de contenido en carbono? Soluciones: Wferrita = 7,51 % (0 % C) Wcementita = 22,49 % (6,67 % C) 7 10. Siendo 0,0218% el máximo contenido de carbono en ferrita α a 727º C, y aceptando que la composición de la perlita es de 0,77% en carbono a la misma temperatura, calcular las cantidades de ferrita y cementita que tenemos en 400 Kg. de eutectoide. Soluciones: Wferrita = 355 kg Wcementita = 45 kg 11. Dos metales A y B presentan solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total después de la solidificación. Sabiendo que sus temperaturas de fusión son 800ºC y 700ºC y que a la temperatura de 500ºC forman un eutéctico conteniendo el 60% del metal A. Las líneas de transformación se considerarán rectas. a. Dibuja el diagrama de equilibrio b. Si enfriamos una solución con el 80% del metal A desde los 900ºC, ¿qué constituyentes y cantidad de cada uno de ellos habrá a los 600ºC” Soluciones: 2- WA = 23,08% WB = 76,92 % 12. Según el diagrama de fases cobre-níquel, responde a las siguientes cuestiones: a. ¿A qué temperaturas inicia y termina la solidificación una aleación con un contenido de 20% de níquel en peso? b. ¿En qué fase se encontrará una aleación con 50 % en peso de níquel a 1400 ºC, a 1275 ºC y a 1200 ºC? Indica la composición y porcentajes de cada fase en el caso de que coexistan líquido y sólido. c. ¿Cuál será la composición de una aleación que comienza su solidificación a 1400 ºC? d. ¿Cuál es el máximo contenido de níquel que puede tener una aleación para que se mantenga en condiciones de equilibrio en estado líquido hasta 1200 ºC 6 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS Soluciones: a) Inicio: 1190 ºC Final: 1150 ºCb) A 1400 ºC: L, a 1275 ºC: α (50%Ni)(Wα=100%) + L (37,5%Ni)(WL=0%) 13. Para una aleación A-B con el diagrama de fases mostrado, se pide: a. Porcentaje de las fases (a-b) de las que se compone el eutéctico b. Para una aleación del 40 % de B y 60 % de A, indique las transformaciones que ocurren al enfriar y a qué temperaturas c. Para la aleación anterior (40% de B /60% de A), porcentaje de sus constituyentes (a-eutéctico) a temperatura ambiente 14. En la figura adjunta se muestra el diagrama de fases de una aleación A_B. Conteste a las siguientes cuestiones: a. En una aleación de composición 40% en B ¿cuál es la variación de temperatura mientras dura el proceso de solidificación? b. ¿Cuál es la aleación de punto de fusión más bajo y qué nombre recibe? c. Calcule el número de fases y su composición para una aleación 25% de B y 75% de A a 100ºC. 7 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS d. Calcule el número de fases y su composición para una aleación 25% de B y 75% de A a 250ºC. 8 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS 15. En la figura adjunta se representa el diagrama simplificado Fe-C: a. ¿Qué porcentaje de hierro y carbono tiene el eutéctico (ledeburita). b. ¿A qué temperaturas empieza y termina de solidificar dicho eutéctico? c. ¿En qué se transforma al solidificar y en qué proporción? d. Cuando la temperatura del eutéctico desciende de los 700 ºC: ¿Qué transformaciones se producen? 16. Sea el siguiente diagrama de fases de la aleación de los metales A-B. Comente los estados por los que pasa cuando se enfría desde el estado líquido hasta temperatura ambiente, indicando las temperaturas a las que se producen, en los siguientes casos: a. Metal A puro b. Aleación con 80% de A y 20 % de B c. Aleación con 40% de A y 60 % de B 9 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS 17. En la Figura adjunta se muestra el diagrama de fases de una aleación A-B. Conteste a las siguientes cuestiones: a. ¿Cuál es la temperatura de inicio y de fin del proceso de solidificación para las siguientes composiciones? i. 20% A ii. 40% de B b. ¿A partir de qué composición de B una aleación estaría totalmente líquida a 1300ºC? ¿Y sólida? c. Calcule el número de fases y, de forma aproximada, la composición de cada una y las cantidades relativas de cada fase para una aleación del 50% de A a 1300ºC (1 punto) 10 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES CUESTIONES Y PROBLEMAS 18. En la figura adjunta se muestran las curvas de enfriamiento para una aleación de metales A_B completamente solubles en estado líquido e insoluble en estado sólido. Determinar: a. La composición del eutectoide y temperatura a la que solidifica b. El diagrama de fases, indicando las fases existentes en cada una de las áreas en que se subdivide el diagrama. c. La proporción de constituyentes (A-eutéctico) de una aleación con 80% de A y 20% de B a la temperatura ambiente 11
