Diagramas de Equilibrio

En Preparacin

Introduccin, Transformaciones y diagramas, Diagramas binarios, Tipos de diagramas, Regiones mono y bifsicas, Reglas de las fases, Regla de la palanca, Puntos invariantes, Curvas de enfriamiento, Algunos ejemplos. Diagrama de Hierro Carbono.

DIAGRAMAS DE FASE O DE EQUILIBRIODIAGRAMAS DE FASE O DE EQUILIBRIO

Introduccin:

Las propiedades mecLas propiedades mecnicas de los materiales nicas de los materiales ingenierilesingenierilesdependen fuertemente de su microestructuradependen fuertemente de su microestructura. Por esto, los ingenieros debern poseer un conocimiento bsico de cmo se forman las microestructuras y como estas estructuras influencianlas propiedades del material.

El proposito de este estudio es brindar entendimiento de las transformaciones de fasestransformaciones de fases que deben realizarse proximas al equilibrio (condiciones de enfriamientos muy lentos), por lo que los diagramas de fases pueden ser utilizados como una ayuda en la interpretacin de la microestructura.

composicin

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Un diagrama de fases binario muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos dos elementoselementos en un rango de temperaturasrango de temperaturas.

La composicin se muestra desde el 100% del elemento A a la izquierda del diagrama hasta el 100% del elemento B a la derecha del mismo. La composicin de la aleacin esta dada en la forma de A - x%B . Por ej.: Cu - 20%Al es 80% de cobre y 20% de aluminio.Para especificar las proporciones se pueden utilizar porcentajes en peso o porcentajes atmicos.

Punto de fusin de A puro

composicin

Punto de fusin de B puro

Punto eutctico

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a

Las aleaciones tienden a solidificar en un rango de temperaturas, ms que en una temperatura especfica como en los elementos puros.

En los extremos del diagrama solamente existen elementos puros (100% A o 100% B) por lo que existen puntos de fusin especificos de cada uno.

.Algunas veces hay una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una unicatemperatura como un elemento puro, este punto se llama punto eutctico,

Algunos diagramas de fase para aleaciones binarias simples no tienen puntos eutcticos.

composicin

lquido

Punto eutctico

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Si enfriamos desde el estado lquido diferentes composiciones de la aleacin, registramos las temperaturas a las cuales comienzan la solidificacin, y se grafican en el diagrama de fases, se puede obtener una curva de comienzo de solidificacin. Esta curva unir los tres puntos de solidificacin simples y se llama linea linea de de liquidusliquidus.

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composicin

lquido

Punto eutctico

Lnea de solidus

Linea de solvus

De la misma forma que el azucar se disuelve en te caliente (solucisolucin n llquidaquida) es posible que un elemento se disuelva en otro mientras que ambos permanecen en estado slido. Esto se llama solucisolucin sn slidalida y en general se produce hasta un pequeo porcentaje en peso. El lmite de solubilidad cambia normalmente con la temperatura.

Por ejemplo a la solucin slida de B en A (casi todo A) se la llama mientras que a la solucin slida de A en B ( casi todo B) se la llama .Algunos elementos tienen solubilidad solubilidad cerocero como por ejemplo en Al-Si donde el Al tiene solubilidad cero en el Si.

composicin

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lquido

lquidolquido

Punto eutctico Linea eutectica

Soluciones sSoluciones slidaslidas y y == fases terminalesfases terminalesLnea eutctica = temperatura eutctica o + + llquido quido = = regiregin bifasica n bifasica ( ( solido solido y y llquidoquido)) + = = regiregin bifn bifsica sica ( ( mezcla smezcla slidalida))

composicin

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lquido

lquidolquido

Punto eutctico Linea eutectica

Un Un diagramadiagrama de de fasefase eses un un mapamapa de de temperaturatemperatura composicicomposicinn quequeindicaindica laslas fasesfases presentespresentes a a unauna dada dada temperaturatemperatura y y composicicomposicinn.

Esto se determina experimentalmente registrando las velocidades de enfriamiento en un rango de composiciones.

Preguntas

a)a) QuQu sucede en el punto sucede en el punto euteutcticoctico??

1) Alfa comienza a precipitar

2) Beta comienza a precipitar

3) El lquido solidifica completamente para formar alfa y beta.

4) Nada de lo anteriorb) La fase alfa esLa fase alfa es::1) A slido

2) Una mezcla de A slido y A lquido

3) Un poco de A disuelto en un slido que mayoritariamente es B

4) Un poco de B disuelto en un slido que mayoritariamente es A

composicint

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lquido

lquido

lquido

Punto eutctico

Lineaeutectica

c) A quA qu temperatura se observa la mtemperatura se observa la mxima solubilidad de B en Axima solubilidad de B en A?1) En el punto de fusin de alfa.

2) En el punto de fusin de beta

3) A la temperatura eutctica

4) Ninguna de las anteriores

composicint

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lquido

lquidolquido

Punto eutctico Linea eutectica

d) Cud) Cul es la ml es la mxima solubilidad en la solucixima solubilidad en la solucin sn slida alfa?lida alfa?

1) 50% (peso)A - 50% (peso) B

2) 90% (peso) A - 10% (peso) B

3) 10% (peso) A - 90% (peso) B

4) Ninguna de las anteriores.

composicin

lquido lquido

lquidot

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Cuando enfriamos como se indica en el diagrama el resultado es una mezcla de alfa y lquido,. QuQu composicionescomposiciones exactas tendran a esa temperatura?

La isoterma(temperatura constante) que cruza una regin bifasica se la llama linea conodallinea conodal .

Lnea conodal

lquidolquido

lquido

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Los extremos de la linea conodal muestran las composiciones de las dos fases que existen en equilibrio a esa temperatutra .

La linea conodal muestra que la fase alfa tiene una composicin de 5,2% de B y la fase lquida 34,5% de B a esa temperatura.

Se recuerda que la composicin total de la muestra no cambia. Solo estamos analizando las composiciones de las fases constituyentes dentro de la muestra.

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lquidolquido

lquido

Si enfrio desde a la composicin C0 desde Tx, las lineasconodales pueden ayudar a contestar las preguntas:

Que fases hay presentes?

Las fases seran las que estan en los extremos de la Lineaconodal.

lquidolquido

lquido

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Cuales son sus composiciones?

lquidolquido

lquido

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Si la temperatura se reduce hasta Ty, como varian las composiciones de las fases?

Se construye una nueva linea conodal.

Observar que ambas fases se van enriqueciendo en A al enfriarse.

De un balance de masa tenemos :

C0 = f . C + (1 f) . CLiqReordenando:

C0 Cliq = f (C Cliq)te

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lquido

lquidolquido

Sabiendo las composiciones de las fases la Regla de la Regla de la PalancaPalanca: me permite conocer cuanto de cada fase existe a una dada temperatura (relacin entre fases).

But... which equation corresponds to which phase ?

lquido

lquido

Basicamente las proporciones de las fases estan dadas por las longitudes relativas de los segmentos en la linea conodal.

____X___ e ____Y___

X + Y X + Y

lquido

lquido

Los segmentos contrarios representan a las fases.Los segmentos contrarios representan a las fases.

Observe como el slido va aumentando su proporcion a expensa del lquido

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lquido

lquido

Ejemplo:La fraccin de alfa= (34.5 - 23.7) / (34.5 - 5.2) = 0.3686Asi el porcentaje de alfa sera= 0.3686 x 100 = 36.86%Y, como alfa y el lquido hacen el 100% de la composicin de la aleacin: Porcentaje de lquido = 100 - 36.86 = 63.14%

Pregunta 1

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composicin

lquido

lquido lquido

Considere una aleacin de composicin C1, justo encima de la temperatura eutctica. Qu fases estn presentes?Alfa y lquido

Alfa , beta y lquido

Beta y lquido

Alfa y beta

Considere una aleacin de composicin C1, justo encima de la temperatura eutctica. Cuales son las composiciones aproximadas de las fases presentes en % en peso de B?10 % peso de B y 90 % peso de B

10 % peso de B y 50 % peso de B

90 % peso de B y 50 % peso de B

Ninguna de las anteriores

Pregunta 2

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composicin

lquido

lquido lquido

Considere una aleacin de composicin C1, justo encima de la temperatura eutctica. Cuales son las proporciones aproximadas de las fases?70% alfa 30 % lquido

30% alfa 70 % lquido

10% alfa 50 % lquido

ninguna de las anteriores

Pregunta 3

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composicin

lquido

lquido lquido

Microestructuras para una mezcla de composicin eutctica

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composicin

lquido

lquido lquido

la aleacin es totalmente lquida

Encima de la Temperatura eutctica

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Composicin eutctica

lquido

lquido lquido

La solidificacin comienza en sitios de nucleacin

A T2 comienza a nuclear

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Composicin eutctica

lquido

lquido lquido

los sitios de nucleacin crecen y forman granos

Continua la nucleacin y crecimiento de granos ( con diferentes orientaciones).

La composicin eutctica solidifica a una sola temperatura ( como un elemento puro) y no en un rango de T.

SSlido eutlido eutcticoctico

A pesar de ser un slido las composiciones van cambiando cuando la mezcla se enfra ( los tomos difunden entre las laminas de alfa y beta muy lentamente), por esto el enfriamiento debe ser muy lento para que el proceso se produzca en el equilibrio.

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Composicin aumentando B

lquido

lquido lquido

finalmente la aleacin solidifica

Pregunta 1:

CuCul es la reaccil es la reaccin eutn eutctica?ctica?

Liquido + alfa beta Alfa beta Liquido alfa + beta Liquido alfa + lquido

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Composicin

Pregunta 2:

Una microestructura laminar tieneUna microestructura laminar tiene:

Pocos lmites entre fases

Muchos lmites entre fases

Ningn lmite de fase

Nada de lo anterior

Pregunta 2:

Las dislocaciones individuales puedenLas dislocaciones individuales pueden:

moverse fcilmente a travs de los lmites de fases

No cruzar los lmites de fases

Moverse con dificultad a travs de los lmites de fases

No existen en una microestructura eutctica.

Pregunta 3:

La tensiLa tensin de fluencia de una microestructura eutn de fluencia de una microestructura eutctica serctica ser::

1- menor en algunas direcciones debido a que todas las dislocaciones tienen la misma orientacin.

2- proporcional a la cantidad de las dos fases y sus respectivas tensiones de fluencia.

3- mayor que la respuesta anterior (2)

4- menor que la respuesta anterior (2)

ComposiciComposicin n hipoeuthipoeutcticactica

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Composicin

lquido

lquido lquido

Aleacin totalmente lquida

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Composicin

lquido

lquido lquido

la solidificacin comienza en sitios de nucleacin

Slido lquido

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Composicin

lquido

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lquidoSlido

los sitios de nucleacin crecen y forman granos

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Composicin eutctica

lquido

lquido

nucleacin de composicin eutctica

Slido Slido eutctico

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Composicin eutctica

lquido

lquido

Slido eutcticoSlido

Granos de eutctico continan nucleandoy creciendo

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Composicin eutctica

lquido

lquido

Slido eutcticoSlido

Finalmente la aleacin entera solidificar

AleaciAleacin de n de composcicomposcinn hipereuthipereutcticactica

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Composicin

lquido

lquido lquido

Aleacin totalmente lquida

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Composicin

lquido

lquido lquido

la solidificacin comienza en sitios de nucleacin

lquidoSlido

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Composicin disminuyendo B

lquido

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lquidoSlido

los sitios de nucleacin crecen y forman granos

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Composicin eutctica

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lquidolquido

Slido eutcticoSlido

nucleacin de composicin eutctica

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Composicin eutctica

lquido

lquido lquido

Slido eutcticoSlido

los granos de eutctico continuan creciendo y nucleando

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Composicin eutctica

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lquidolquido

Slido eutcticoSlido

finalmente la aleacin entera solidificar

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Composicin

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CuCu--AlAl

Cu Cu -- AlAl

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% peso Cobre

lquido

lquidolquido

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% peso Cobre

lquido

Consideremos dos aleaciones, una de composicin 33 %33 % en peso de Cu y la otra 20 %20 % en peso de Cu.

Veamos primero a 33% Cu

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% peso Cobre

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lquidolquido

MicrografMicrografa de Ala de Al--33%Cu33%CuPulida y atacada con 10% de cido ntrico que ataca la fase (color oscuro) si atacar la fase alfa (blanca).

Analicemos ahora a 20% Cu

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% peso Cobre

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MicrografMicrografa de Ala de Al--20% Cu20% CuPulida y atacada con 10% de cido ntrico que ataca la fase (color oscuro) si atacar la fase alfa (blanca).

Para que queremos saber todo estoPara que queremos saber todo esto?

Bien, los cambios microestructurales influencian mucho a las propiedades de la aleacin. La naturaleza laminarlaminar de la fase eutctica, por ejemplo, impide el movimiento de las dislocaciones a travs del material. Si las dislocaciones no pueden moverse fcilmente, el material no puede fluir hasta que se apliquen mayores tensiones, por lo que la tenacidad de la aleacin aumenta.

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% peso Cobre

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Asi, conociendo las microestructuras, se pueden manejar las propiedades de los materiales.

Diagrama AlDiagrama Al-- SiSi

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% peso Silicio

lquido

lquido

lquido

Las aleaciones de Al-Si difieren de los diagramas anteriores debido a que el Al tiene solubilidad cero en el Si. No hay fase beta que es reemplazada por el Si puro.

La composicin eutctica es una estructura de alfa + Si

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% peso Silicio

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lquido

lquido

Consideremos dos aleaciones con 13% en peso de Si ambas. La segunda de ellas dopada con una muy pequea cantidad de Sodio ( 0,01%Na)

As tendremos:

Al- 13%peso Si.

Al- 13% peso Si 0,01%Na.

El 13% de Si es una aleacin hipereutectoide.

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% peso Silicio

lquido

lquidolquido

El eutctico (alfa + Si) en este diagrama contiene mucho ms alfa que Si (aplicar Regla de la palanca)a la Temp. Eutctica.

El Si proeutctico se forma primero, mientras que el lquido va disminuyendo su porcentaje de Si y asi alcanzar la composicin eutctica y solidificar.

El Si proeutectoide tiene una forma cuboide como se observa en la micrografa. El eutctico, no obstante, no es de forma laminar y aparece en secciones que consisten en hojuelas separadas (aunque interconectadas en tres dimensiones).

Consecuencias !!: Las hojuelas de Si en el eutctico promueven la fragilidadfragilidaden la aleacin.La mayora de las aleaciones de Al-Si tienen composiciones cercanas al eutctico debido a que tienen un menor punto de fusin y son ms fciles de fundir. Y si van a ser muy usadas, se deber mejorar la fragilidad de las hojuelas de Si.

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% peso Silicio

lquido

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Agregando una pequea cantidad de un elemento ternario, en este caso sodio, produce modificacin en la estructura. Esta adicin mueve el punto eutctico a concentraciones de Si ms altas y menores temperaturas. Esto produce una modificacin en el crecimiento de Si eutctico de forma que crece con formas irregulares fibrosas ms que en hojuelas. El eutctico se ha movido lo suficiente como para pasar de ser hipereutctico a hipoeutctico . Ahora la forma Alfa es la proeutctica en lugar del Si.

No dopada Dopada

La adicin de 0,01%Na a la aleacin de Al-Si ha cambiado radicalmente sus propiedades.

Diagrama de FeDiagrama de Fe-- CC

En su forma ms simple, los aceros son aleacionesde Hierro (Fe) Carbono (C). Diagrama de Fe-C hasta alrededor de 7% Carbono. Este es un Diagrama de Fases bastante complejopero como solamente nosinteresa la zona de los aceros est algosimplificado.

La mezcla de alfaalfa + + cementitacementita ( mezcla eutctica) se llama perlitaperlita.

La fase se llama austenita. austenita. Esta es una fase de alta temperatura y tiene una estructura FCC ( estructura densamente empaquetada).

La fase se llama ferritaferrita y es un constituyente comun en aceros,tieniendo una estructura BCC (menos empaquetada que la FCC).

El FeFe33CC se llama cementitacementita.

Para simplificar el diagrama :

a) Considerar slo aceros, por lo que solamente necesitamos el Diagrama de fase hasta 1,4%C.

b) Podemos ignorar los cambios de fase a altas temperaturas. Todas las aleaciones hasta 1,4%C debern ser enfriadas desde la fase gamma (austenita). Por lo tanto consideraremos aleaciones por debajo de 1000C.

Diagrama de fase FeDiagrama de fase Fe--C hasta 1,4%C y 1000C hasta 1,4%C y 1000CC

No hay fases lquidas por lo que las reacciones ocurren en estado slido.

Hay un punto caracteristico: el eutectoide

Composicin del eutectoideeutectoide : Fe - 0,83% peso de C

Temperatura de la reaccion eutectoide : 723C.

Austenita Ferrita + Cementita + Fe3C

La ferrita y la cementita crecen cooperativamente como una mezcla laminar: la perlitaperlita

Micrografa de Fe- 0,83%C (PerlitaPerlita)

La pieza ha sido preparada metalogrficamente y atacada con picrato de sodio alcalino (peligroso y explosivo) el cual tie la superficie de la cementita de marron/negro y deja sin atacar la ferrita.

Una aleacin de composicin de Fe-1.3%C (peso) est a la derecha del eutectoide y es llamada acero hipereutectoideacero hipereutectoide.

Cuandose enfra la austenita y cruza la lnea de fase en T2 , algo de austenita se transformar en cementita mientras que la austenita remanente se ir enriqueciendo en Fe. Consideraciones energticas muestran que la cementita se formar en los bordes de granos de la austenita.Cuando el acero alcanza la temperatura eutectoide la austenita remanente tendr la conposcin eutectoide y se transformar en perlita ( + Fe3C)Asi la microestructura final contendr cementita en bordes de grano ( cementita pro-eutectoide) y perlita ( eutectoide).

cementitacementita

perlitaperlita

Fe-1.3%C (peso) : acero hipereutectoideacero hipereutectoide.

Las muestras de acero hiper-eutectoide normalmente muestran menos cementita pro-eutectoiode en las capas superficiales que en el resto de la muestra. Esto es debido a la descarburizacin de las capas superficiales a altas temperaturas ( el carbon difunde hacia el exterior de la muestra).Aunque esto es un efecto no deseado, el efecto contrario es comunmente usado.. El componente es colocado en un ambiente caliente rico en carbono lo que fomenta la difusin del carbono en la superficie del acero, incrementando la dureza superficial. Este proceso se llama Carburizacin.

Descarburizado Matriz del acero

Microestructuras y propiedadesMicroestructuras y propiedadesLas microestructuras de los aceros varian considerablemente con el contenido de carbono. El aumento de la cementitacementita ( dura y frgil) cambia las propiedades ingenieriles como se muestra en la figura. Por ejemplo, la tenacidad aumenta con el contenido de carbono hasta la composicin eutectoide pero luego comienza a disminuir debido a la formacin de cementita frgil en bordes de grano.

Micrografa de Fe-0,83 % peso de C.

Metalografa preparada y atacada con picrato de sodio alcalino en ebullicin (peligroso y explosivo) que ataca a la cementita sin atacar la ferrita.

EjerciciosEjercicios

1. Cuando el hierro puro se calienta por encima de 910C este se:2. Contraer3. Expandir4. Mantendr constante su volumen5. Fundir

En un acero, 1% de C es completamente soluble en hierro a:

1. 723 C2. 1000 C3. 1400 C4. Ninguna de los anteriores

Qu selecionaria para la carcaza fundida de de un motor?

1. Hierro puro2. Un acero de Fe-1,3% C3. Un acero de Fe-3,5 %C4. Ninguno de los anteriores

Que seleccionara para fabricar una viga de acero rolada?:

1. Un acero de Fe- 0,4 %C2. Un acero de Fe-0,4 %C y endurecimiento superficial3. Un acero de Fe-1,2 %C4. Ninguno de los anteriores

Qu seleccionara para fabricar una llave para tuberias?

1. Un acero de Fe- 0,4 %C2. Un acero de Fe-0,4 %C y endurecimiento superficial3. Un acero de Fe-1,2 %C4. Ninguno de los anteriores

Diagramas de EquilibrioUn diagrama de fases binario muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos elementos en un rango de temperaturasLas aleaciones tienden a solidificar en un rango de temperaturas, ms que en una temperatura especfica como en los elementosMicrografa de Fe-0,83 % peso de C.