INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS DE FASES

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TEMA PARA LA MATERIA DE INGENIERÍA DE MATERIALES...t/t

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INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS DE FASES

  1. 1. INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIOBINARIOS. (Diagramas de fases) PROFESOR: QBA MIGUEL ANGEL CASTRO RAMÍREZ
  2. 2. ¿Cuándo se solidifica una aleación como el latón, cuál elementosolidifica primero?¿Es posible que coexistan los estados sólido, líquido y gaseosode un material?¿Por qué la adición de pequeñas cantidades de elementos dealeación aumentan la resistencia de los materiales metálicos?
  3. 3. En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones. MonofásicaAleación Polifásica Aleación monofásica Aleación polifásica
  4. 4. FaseUna fase de un material, en términos de su microestructura, es unaregión que difiere en estructura y/o composición de otra región. Agua líquida agua Hielo Vapor de agua
  5. 5. Definición de FaseParte de un sistema cuya composición (naturaleza y concentración deconstituyentes) y organización atómica (estructura cristalina o amorfa)son fijas. Es decir, parte homogénea de un sistema cuyas característicasfísicas y químicas son comunes.Una fase tiene las siguientes características:  La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material.  Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior.  Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases circundantes.
  6. 6. Diagramas de fasesSon representaciones gráficas de las fases que están presente en unsistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información: Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones ytemperaturas Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajocondiciones de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperaturaen el que se presenta la solidificación. Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
  7. 7. Diagramas de fases de sustancias purasUna sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida yvapor, dependiendo de las condiciones de temperatura ypresión. Diagrama de fases en equilibrio presión -temperatura para el agua
  8. 8. Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio (coexisten) tres fases de un materialDiagrama presión-temperatura carbono
  9. 9. Diagrama de fases enequilibriopresión –temperatura, hierropuro
  10. 10. Regla de las fases de GibbsEsta ecuación permite calcular el número de fases que puedencoexistir en equilibrio en cualquier sistema P+F=C+2DondeP : número de fases que pueden coexistir en el sistemaF : grados de libertad (presión, temperatura y composición)C : número de componentes en el sistema
  11. 11. Al aplicar la regla de las fases en el punto triple del diagrama defases presión temperatura del agua pura resulta que coexisten tresfases en equilibrio (P = 3) y hay un componente, agua (C = 1) P+F=C+2 3+F=1+2 F = 0 (cero grados de libertad)Esto indica que no se puede cambiar ninguna de las variables deforma independiente, por lo tanto el punto triple es un puntoinvariante
  12. 12. En cualquier punto sobre la curva de congelación sólido-líquido,coexisten dos fases, resultando: P+F=C+2 2+F=1+2 F = 1 (un grado de libertad)Esto implica que una variable independiente se puede cambiar deforma independiente, por lo tanto si se especifica una presióndeterminada, solo hay una temperatura en la que las fases sólida ylíquida coexisten
  13. 13. La mayor parte de los diagramas binarios utilizados en Ciencia deMateriales son diagramas temperatura composición, donde la presiónse mantiene constante, a 1 atm.En este caso la regla de fases condensada, dada por: P+F=C+1
  14. 14. Solubilidad y soluciones sólidasCuando se mezclan diversos componentes o materiales, como cuandose agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formarsoluciones sólidas o líquidas.
  15. 15. Solución sólida:Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos queestán atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase)y de composición variable (por ser una solución, hay un rango desolubilidad). Solubilidad de soluciones sólidas:  Solubilidad total (completa)  Solubilidad parcial o limitada  Insolubilidad total
  16. 16. a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
  17. 17. a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleacionessólidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Znque contienen más de 30% de Zn se forma una segunda fase por lasolubilidad limitada del Zn en el Cu
  18. 18. Límite de solubilidadPara una temperatura específica, existe una concentraciónmáxima de átomos de soluto que se disuelven en el disolventepara formar una solución sólida. Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
  19. 19. Tipos de soluciones sólidasSolución sólida sustitucional:los átomos de B ocupan Solución sólida intersticial:posiciones de la red A los átomos B ocupan posiciones intersticiales de la red A
  20. 20. Solución sólida sustitucional:En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyenen términos de posición, a los átomos de la matriz.Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidadsólida ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas comolas Reglas de Hume- Rothery:  El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más del 15%,para minimizar la deformación de la red.  Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no debe haber diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento.  Los elementos deben tener la misma valencia.  La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe ser la misma
  21. 21. Ejemplo:
  22. 22. Solución sólida intersticial:En las soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto se sitúan enlos intersticios que hay entre los átomos del cristal.
  23. 23. Radio del mayor intersticioFe FCC: 0,053 nmRadio del mayor intersticioFe BCC: 0,036 nmRadio atómico C: 0,075 nm
  24. 24.  Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Se tienen 3 tipos de diagramas: • Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido • Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido • Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al estado sólido.
  25. 25. Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
  26. 26. a) Temperatura liquidus y solidusb) Fases presentesc) Composición de cada fased) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)e) Solidificación de aleaciones
  27. 27. a) Temperatura liquidus y solidus La temperatura liquidus o de líquido se define como aquella arriba de la cual un material es totalmente líquido. La temperatura solidus o de sólido, es aquella por debajo de la cual esa aleación es 100% sólida La diferencia de temperaturas entre la de líquido y la de sólido es el intervalo de solidificación de la aleación
  28. 28. b) Fases presentesEl diagrama de fasespuede considerarse comoun mapa de caminos; si seconocen las coordenadas,temperatura y composiciónde la aleación, se puedendeterminar las fases quese encuentren presentes.
  29. 29. c) Composición de cada faseCada fase presente en una aleacióntiene una composición, expresadacomo el porcentaje de cada elementoen la fase.Cuando se encuentra presente sólouna fase en la aleación, lacomposición de la fase es igual a lacomposición general de la aleación. Cuando coexisten dos fases, comolíquido y sólido, la composición deambas difiere de la composicióngeneral original.Usualmente la composición estáexpresada en porcentaje en peso.
  30. 30. c) Composición de cada faseSe utiliza una línea de enlace oisoterma para determinar lacomposición de las dos fasesUna línea de enlace o isoterma esuna línea horizontal en una regiónde dos fases, que se traza a latemperatura de interés.Los extremos de la isotermarepresentan la composición de lasdos fases en equilibrio.
  31. 31. Ejemplo:Determine la composición de cada fase en una aleación de Ag -45% Pd a 1450 ºC, 1300 ºC, 1250 ºC y 1000 ºC
  32. 32. d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en laaleación Considere el diagrama de fases del cobre-níquel y la aleación de composición C0 a 1250°C, donde Cα y CL representan la concentración de níquel en el sólido y en el líquido y Wα y WL las fracciones de masa de las fases presentes.
  33. 33. La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de conservación de la masa: En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las fracciones de las fases presentes debe ser la unidad: Wα + WL = 1En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidircon la masa total de la aleación Wα Cα + WL CL = C0Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a laexpresión de la regla de la palanca para esta situación particular Cα − C0 C 0 − CL WL = Wα = C α − CL Cα − CL
  34. 34. En general, la regla de la palanca se puede enunciar como: brazo de palanca opuesto Porcentaje de fase = x 100 longitud total de la línea de enlace Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dosfases de un diagrama de fases binario. Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una faseen una mezcla de dos fases. Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase(es decir, la concentración química de los distintos componentes)
  35. 35. Ejemplos:1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni quese adjunta, describir el enfriamiento lentode una aleación de 30% de Ni ydeterminar su composición a 1200 ºC.2. Una aleación compuesta de 2 kg de Cuy 2 kg de Ni se fundió y posteriormente seenfrió lentamente hasta 1300 ºC.Utilizando el diagrama de equilibrio Cu-Ni,calcular la concentración y el peso de lasfases presentes a dicha temperatura.3. En el sistema Cu-Ni, haga el análisis defase para una aleación 50% de Cu a: 1400ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.
  36. 36. e) Solidificación de una aleaciónDependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tiposde solidificación: Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre segúnel diagrama de equilibrio de fases. En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal ypor ello se produce una distribución no homogénea del soluto en elsólido, esto es conocido como segregación.
  37. 37. e) Solidificación de una aleación en el equilibrio Acero de baja aleaciónCambio de la estructura de una aleación Cu – 40% Ni durante su solidificación
  38. 38. Solidificación fuera de equilibrio y segregación:Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos oa lo más unas pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio nose logran. Al solidificar el metal se producen gradientes deconcentración que no logran equilibrarse debido al insuficiente tiempodel que se dispone, originando pérdidas de propiedades mecánicas.
  39. 39. EjemploPara las aleaciones NiO-30% mol MgO, NiO-45% mol MgO y NiO-85% mol MgOa) Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo desolidificaciónb) Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cadafase, en % mol a 2400 ºC
  40. 40. EjemploConsidere una aleación, cuyacomposición promedio contienen60% de antimonio. Comenzandoa 550 ºC y a intervalos de 50 ºC,hasta 300 ºC, suponiendo queprevalecen condiciones deequilibrio, determine: (a) Las fases presentes (b) Lacomposición y cantidad de cadafase (d) La microestructura
  41. 41. Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólidoTécnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolublesuno en otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada queprácticamente pueden considerarse como insolubles.
  42. 42. El punto de intersección de las Elíneas liquidus, se denominapunto eutéctico.La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura desolidificación del eutécticoLa composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conocecomo composición eutéctica.
  43. 43. Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamentehasta la temperatura eutéctica, la fase líquida se transformasimultáneamente en dos fases sólidas. Esta transformación seconoce como reacción eutéctica y se escribe: temperatur a eutéctica Líquido solído A + sólido B enfriamien to
  44. 44. Aleación 1: aleación eutécticaAleación 3: aleación hipoeutécticaAleación 2: aleación hipereutéctica
  45. 45. a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1
  46. 46. b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2
  47. 47. c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3
  48. 48. Sistema Al-CuAl2 Sistema Fe – C Eutéctico α - Fe3C
  49. 49. Aleación hipereutéctica Al-Si (Silicio primario)Aleación hipereutéctica Fe-C(cementita primaria)
  50. 50. Ejemplo
  51. 51. EjemploPara las aleaciones As-15% Au, aleación de composicióneutéctica y As-85% Au, Comenzando a 1100 ºC y a intervalos de50 ºC, hasta 500 ºC, suponiendo que prevalecen condiciones deequilibrio, determinar(a) las fases presentes(b) la composición de cada fase(c) la cantidad de cada fase(d) la microestructura
  52. 52. Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles al estado sólido
  53. 53. Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican lasolubilidad máxima (solución saturada) de B en A (solución α) o de Aen B (solución β) en función de la temperatura.El punto E, como en el tipo II, es el punto eutécticoReacción eutéctica: temperatur a eutéctica Líquido solución sólida α + solución sólida β enfriamiento
  54. 54. a) Aleaciones desolución sólida
  55. 55. b) Aleaciones querebasan el límite desolubilidad
  56. 56. c) Aleaciones hipoeutécticas
  57. 57. d) Aleación eutéctica
  58. 58. Ejemplos:1)2)
  59. 59. EjemploEn una aleación Pb-15% Sn que se solidifica lentamente, determine:a) La composición del primer sólido que se formab) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de solidificaciónc) Las cantidades y composiciones de cada fase a 260 ºCd) Las cantidades y composiciones de cada fase a 183 ºCe) Las cantidades y composiciones de cada fase a 184 ºCf) Las cantidades y composiciones de cada fase a 182 ºCg) Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºCh) Repetir de a hasta g para una aleación Pb-70% Sn
  60. 60. EjemploEn una aleación Cu-10% Ag que se solidifica lentamente, determine:a) La composición del primer sólido que se formab) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de solidificaciónc) Las cantidades y composiciones de cada fase a 1000 ºCd) Las cantidades y composiciones de cada fase a 850 ºCe) Las cantidades y composiciones de cada fase a 781 ºCf) Las cantidades y composiciones de cada fase a 779 ºCg) Las cantidades y composición de cada fase a 600 ºCh) Repetir de a hasta g para :aleación Cu-30% Ag y Cu-80% Ag
  61. 61. Ejemplo:Considere 1 kg de una aleación de moldeo de aluminio con un10% en peso de Si.a) ¿Cuál es la primera fase sólida y cual es su composición?b) ¿A qué temperatura solidificará completamente la aleación?c)¿Qué cantidad de fase proeutéctica se encontrará en lamicroestructura?d) ¿Cómo se distribuye el silicio en la microestructura a 576 ºC?

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