Diapositivas asignatura CTM, universidad de vigo, Año 2024

1. Tema 4: Diagrama de Fases I
Índice
• Constitución de aleaciones
• Diagrama de fases de solubilidad total:
• Ley de Gibbs. Aplicación a los diagramas de equilibrio binarios
• Composición y cantidades relativas de las fases en equilibrio. Regla de la palanca
• Diagrama de equilibrio Cu-Ni
 Enfriamiento en condiciones de equilibrio. Evolución de la microestructura
 Enfriamiento en condiciones de no- equilibrio. Microsegregación
• Insolubilidad total. Reacción eutéctica
• Solubilidad parcial:
•Diagrama Pb-Sn – Morfología eutéctico
•Diagrama Al-Si - Eutécticos disociados - Modificación
•Diagrama Al-Cu – Fortalecimiento por precipitación
• Diagramas con fases de fusión congruente
• Reacción peritéctica: Diagrama de equilibrio Cu-Zn
• Transformaciones en estado sólido: Reacción eutectoide

2. Constitución de aleaciones
Conceptos básicos
 Aleación Metálica: Mezcla de un metal y otros elementos químicos metálicos y/o no metálicos
(solutos). Puede ser una solución sólida o una mezcla de dos o más fases. Siempre tiene
propiedades metálicas.
 Límite de solubilidad: En una solución sólida es la máxima concentración de átomos de soluto
que puede disolverse. Superar el límite de solubilidad implica la formación de otra solución
sólida o de un compuesto.
2
 Un sistema de aleación contiene todas las
aleaciones que se pueden formar combinando
varios elementos en todas las proporciones
posibles; dos: binario; tres: ternario...
 Compuesto: Se forma por afinidad química entre
los elementos: proporciones definidas, red
cristalina propia, enlace iónico o covalente. suelen
presentar altos puntos de fusión, elevada dureza y
resistencia, y pueden ser frágiles

3. Constitución de aleaciones
Conceptos básicos
 Componentes de una aleación: Especies químicas que la forman: Elementos o
compuestos
 Fase: Porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas
uniformes. Fases posibles en estado sólido metálico: metal puro, compuesto y
solución sólida
3
1 componente: H2O
3 pases: agua líquida, hielo y vapor
5 componentes: Fe, Ni, Cr, Mo, C
2 pases: amarilla (α) y blanca (γ)
 Constituyentes de una aleación: cada una de las fases o agregados de fases
microscópicamente diferentes que tienen características propias, que forman la aleación

4. Ejemplo 1: postres
Componentes: agua leche, azúcar, harina.
Fases: flan, galleta, puding, caramelo
Constituentes:
Monofásicos: flan, galleta, puding, caramelo
Bifásicos: tarta de la abuela (agregado)
4
Ejemplo 2: patrones
Componentes: pintura blanca y pintura negra.
Fases: blanco, negro
Constituentes:
Monofásicos: blanco y negro
Bifásicos: cebra, dálmata, geométrico……

5. ALEACIONES
METÁLICAS
HOMOGÉNEAS
Monofásicas
 De metales puros
 De soluciones sólidas
HETEROGÉNEAS
Polifásicas
 De metales puros
 De compuestos
 De soluciones sólidas
Clasificación
5
Constitución de aleaciones

6. Diagrama de fases de equilibrio
Representación gráfica de las fases que están presentes en equilibrio
en un sistema binario en función de la temperatura y la composición.
Solidificación en
equilibrio
Enfriamiento
muy lento
Se determinan a partir de
datos experimentales
de A en B
de B en A
6
 Conocer las fases presentes en función de la Temperatura y composición.
 Determinar la Temperatura de inicio y final de la solidificación.
 Determinar la Temperatura de comienzo de la fusión.
 Conocer la solubilidad de los componentes.
 Predecir la microestructura de la aleación a temperatura ambiente.
Utilidades

7. PROPORCIÓN DEL SOLUTO
TERMINAL
Con límite de solubilidad
Fases terminales
INTERMEDIA
Intervalo de solubilidad
(mínimo –máximo)
Fases intermedias
A B
α
A B
α
δ
de A en B
de B en A
SERIE CONTINUA
Solubilidad total
1 Solución Sólida
7
Constitución de aleaciones
INSOLUBILIDAD
Afinidad eutéctica
Agregado eutéctico

8. Cu
TS Cu: 1085ºC
Liq
Liq + sol
sol
TSNi: 1453ºC
Ni
Liq
Liq + sol
sol
Liq
Liq + α
α
60Cu- 40Ni
tiempo
Composición ( % peso Ni)
Temperatura
(ºC)
Línea de
líquidus
Líquido, L
Línea de
sólidus
Solución
sólida, α
Diagrama de equilibrio Cu-Ni Curvas de enfriamiento
Línea sólidus  T de servicio
Línea líquidus  procesado por moldeo
L + α
Diagrama de fases de solubilidad total
8
Cuanto menor sea el interval de solidificación⇒ Mejor capacidad de moldeo

9. Grados de libertad (L): Número de variables deben fijarse para que el
sistema se encuentre en un estado unívocamente definido
F + L= C + 2
Para un sistema en equilibrio puede
establecerse la siguiente relación entre
el número de fases (F), el número de
componentes del sistema (C), y los
grados de libertad (L):
En particular, para un sistema en
equilibrio a presión constante:
F= 2 L=1
Equilibrio
monovariante
L=2 Equilibrio bivariante
Para sistemas binarios, C=2
L = 3- F
F + L = C + 1
Ley de Gibbs. Aplicación a los diagramas de equilibrio binarios
9
L (1 fase)
α (1 fase)

10. Composición (% peso Ni)
Temperatura
(ºC)
Línea de vínculo
Líquido
To
Co
Cantidades relativas de
las fases en equilibrio
 Una aleación de composición:
Co(%Ni) a Temperatura To
 El trazado de la línea de vínculo
permite obtener la composición de
las fases en equilibrio
(CL y C α)
Solución sólida α
Líquido
% L = 100 (Cα-Co) / (Cα-CL)
% α = 100 - % L
Composición y cantidades relativas de las fases en equilibrio
Regla de la
palanca
10
29% Ni 35% Ni 39,5% Ni

11. Temperatura
(ºC)
Composición (% peso Ni)
Evolución de la microestructura de equilibrio de una aleación
Cu-Ni del 35% de Ni
Situación ideal:
Velocidad de enfriamiento muy
lenta para permitir la difusión
del Cu y Ni
En ocasiones se consigue con
moldeo en arena
Estructura a T ambiente:
Granos de composición homogénea
35%Ni → microconstituyente
monofásico
Enfriamiento en condiciones de equilibrio. Evolución de la microestructura
11
b
c
d
e

12. Difusión rápida en líquido
⇓
Difusión lenta en sólido
⇓
La composición del sólido depende de la velocidad de
solidificación
⇓
Se establece un gradiente de concentraciones, siendo el
centro de los granos rico en el componente de mayor Tm
⇓
MICROSEGREGACIÓN
Composición no uniforme producida por la
solidificación fuera del equilibrio
Fotomicrografía de una
aleación 85Cu-Ni (100x)
Consecuencias:
Si se produce recalentamiento, el borde de grano
funde antes (rico en componente menor Tm)
⇒ fallo mecánico prematuro
Enfriamiento fuera de las condiciones de equilibrio. Microsegregación
12
Enriquecida en el
componente de
menor Tm
Micrografía de aleación Cu-4,5%P (100x)
Enriquecido en compontente de
mayor Tm
Gradientes de composición a
través de los granos
ESTRUCTURA SEGREGADA

13.  ELIMINACIÓN MICROSEGREGACIÓN: Recocido de homogenización
Aleación (Cu-4% Sn) 75x
Estructura
bruta de
solidificación
Moldeo en
arena
Misma
probeta tras
ser sometida
al
Tratamiento
térmico
Enfriamiento fuera de las condiciones de equilibrio
MACROSEGREGACIÓN
Heterogeneidad en la composición
entre las distintas partes del sólido
ej. La superficie y su interior de una pieza
SOLUCIÓN:
Procesado en caliente 13
microrrechupes

14. Variación de la resistencia mecánica y la ductilidad en función
de la composición en el sistema Cu-Ni a Tambiente
Características de los cuproníqueles:
 Excelente resistencia a la corrosión
 “Antifouling”
 Fácil manufactura
Cuproníqueles
Alargamiento
∆L
(%)
Composición (% peso Ni)
Composición (% peso Ni)
Resistencia
a
la
tracción,
Rm
(Mpa)
Monel
Aplicaciones:
 Intercambiadores de calor
 Bombas
 Válvulas
 Industria Química
14

15. Tema 4: Diagrama de Fases I
Índice
• Constitución de aleaciones
• Diagrama de fases de solubilidad total:
• Ley de Gibbs. Aplicación a los diagramas de equilibrio binarios
• Composición y cantidades relativas de las fases en equilibrio. Regla de la palanca
• Diagrama de equilibrio Cu-Ni
 Enfriamiento en condiciones de equilibrio. Evolución de la microestructura
 Enfriamiento en condiciones de no- equilibrio. Microsegregación
• Insolubilidad total. Reacción eutéctica
• Solubilidad parcial:
•Diagrama Pb-Sn – Morfología eutéctico
•Diagrama Al-Si - Eutécticos disociados - Modificación
•Diagrama Al-Cu – Fortalecimiento por precipitación
• Diagramas con fases de fusión congruente
• Reacción peritéctica: Diagrama de equilibrio Cu-Zn
• Transformaciones en estado sólido: Reacción eutectoide

16. Reacción eutéctica: L ( CE % B) A (0%B) + B (100%B)
TE
Insolubilidad total. Reacción eutéctica
16
Mezcla eutéctica

17. Temperatura
(ºC)
Composición (% peso Sn)
Temperatura
(ºF)
Pb Sn
Reacción eutéctica: L ( 61.9%Sn) α (18.3%Sn) + β (97.8%Sn)
Mezcla eutéctica = agregado eutéctico
Diagrama de equilibrio Pb-Sn
Solubilidad parcial en estado sólido
17
Línea Sólidus
Línea Líquidus
Línea de solvus Línea de solvus

18. L ( 61.9%Sn) α (18.3%Sn) + β (97.8%Sn)
Diagrama de equilibrio Pb-Sn
Temperatura
(
o
C)
Composición (% peso Sn)
18
Mezcla eutéctica = agregado eutéctico
Solidificación incongruente

19. Espaciado interlaminar, λ
λ↓ ⇒ Venfr ↑ ⇒ ts ↓
λ↓ ⇒ área interfase↑ ⇒ resistencia↑
Líquido
Dirección de
crecimiento
Aumento de la resistencia
de la aleación por formación
del eutéctico
Formación del
agregado eutéctico por
difusión de Pb y Sn
λ
Diagrama de equilibrio Pb-Sn
19
CONSTITUYENTE EUTÉCTICO
A menor espaciado
interlaminar  mayor
resistencia

20. Temperatura
(ºC)
Composición (% peso Sn)
Solución sólida α
Solución sólida β
% α = 100 (Q+R) / (P+Q+R)
% β = 100 P / (P+Q+R)
Cantidades relativas de las fases en la mezcla eutéctica
Cantidades relativas
de fases a T=182 ºC
% α (αproE + αE)
20

21. Diagrama de equilibrio Pb-Sn
21
Aleaciones hipoeutécticas
Composición (% peso Sn)
Temperatura
(ºC)

22. % E = 100 P / (P+Q)
% αp= 100 Q / (P+Q)
Mezcla eutéctica. CONST MATRIZ
Determina las propiedades del material
Constituyente primario o proeutéctico
CONST. DISPERSO
Cálculo de los constituyentes relativos
Temperatura
(ºC)
Composición (% peso Sn)
Cantidades relativas de
constituyentes a Tª 182 ºC
Consideraremos la misma
cantidad a Tª ambiente
22

23. 23
Microconstituyentes
Para describir las microestructuras, es conveniente usar el término microconstituyente
Fase ≠ microconstituyente
Microconstituyentes: Elementos de la microestructura con una estructura
característica e identificable.
Los eutécticos se consideran un solo microconstituyente
Eutéctico: agregado bifásico que normalmente presentan estructura laminar
Microconstituyente Matriz: Microconstituyente continuo, determina en mayor medida
las propiedades del material.
Microconstituyente Disperso: Condiciona las propiedades.
Fases 2 2 2
Microconstituyentes: 2 1 2
Ejemplo: Diagrama de equilibrio Pb-Sn
Aleaciones
Bifásicas
Matriz eutéctica
Presencia de
Eutéctico
Aleaciones hipoeutécticas Al. hipereutécticas
Aleación eutéctica

24. 11-4 The Eutectic Phase Diagram- Askeland
Efecto del % de agregado eutéctico en las propiedades mecánicas
24

25. Materiales empleados en soldadura blanda
 Componentes electrónicos: 62 Sn + 38 Pb (TS=183ºC)
 Fontanería (tubería de cobre): 50 Sn + 50 Pb (∆TS: 183-212ºC)
 Alta temperatura: 5 Sn + 1,5 Ag + 93,5 Pb (∆TS: 296-301ºC)
Diagrama de equilibrio Pb-Sn. APLICACIONES
Pb Sn
Temperatura
(ºC)
Composición (% peso Sn)
Temperatura
(ºF)
25
Composición (% atómico Sn)

26. Composición (% peso Si) Si
L
L + Si
L + α
α + Si
577ºC
1414ºC
E
Un eutéctico se denomina “anormal” (disociado) cuando las fases que la forman
difieren notablemente en sus temperaturas de fusión y en sus cantidades relativas
TS Al: 660ºC
TS Si: 1414ºC
Temperaturas de fusión:
% de fases en la
mezcla eutéctica:
% α: 88,9%
% Si: 11,1%
Cinética de solidificación
del Si mucho más rápida
Al
Temperatura
(ºC)
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
660ºC
α
1,6
12,6
Diagrama de equilibrio Al-Si. Eutécticos anormales o disociados
La microestructura
no es laminar
26

27. Hypoeutectic Eutectic
Hypereutectic
27
Eutécticos anormales, disociados o irregulares. Sistema Al-Si: SILUMINIOS

28. Las morfologías
angulosas
producen
concentración de
tensiones,
favoreciendo la
rotura
Cristales
aciculares de
silicio
Baja
tenacidad
Aladar Pacz (1920)
Adición de pequeñas cantidades de Na antes de
colar (0,02%)
Modificación de siluminios
El Na produce subenfriamiento y desplaza la
composición de la eutéctica hasta el 14% de Si 
el Si solidifica como formas redondeadas e
interconectadas entre los brazos dendríticos del Al
Siluminios modificados
28

29. Aleación hipoeutéctica
Estructura más fina y
redondeada
Menor efecto de entalla
Mayor tenacidad
(microscopio
metalográfico)
Sin
modificar
(microscopio
electrónico)
Modificado
Morfología de los cristales de silicio (SEM)
Siluminios modificados
Estructura del siluminio modificado Al-12Si-0.02Na
αproE
E modificado
29

30. 30

31. Tema 4: Diagrama de Fases I
Índice
• Constitución de aleaciones
• Diagrama de fases de solubilidad total:
• Ley de Gibbs. Aplicación a los diagramas de equilibrio binarios
• Composición y cantidades relativas de las fases en equilibrio. Regla de la palanca
• Diagrama de equilibrio Cu-Ni
 Enfriamiento en condiciones de equilibrio. Evolución de la microestructura
 Enfriamiento en condiciones de no- equilibrio. Microsegregación
• Insolubilidad total. Reacción eutéctica
• Solubilidad parcial:
•Diagrama Pb-Sn – Morfología eutéctico
•Diagrama Al-Si - Eutécticos disociados - Modificación
•Diagrama Al-Cu – Fortalecimiento por precipitación
• Diagramas con fases de fusión congruente
• Reacción peritéctica: Diagrama de equilibrio Cu-Zn
• Transformaciones en estado sólido: Reacción eutectoide

32. • Basic Concepts
• Isomorphous phase diagrams (complete solubility)
 Cooling curve. Gibbs phase rule
 Lever rule: Determination of phase amounts
 Development of microstructure-Equilibrium cooling
 Non equilibrium cooling – Microsegregation: coring
 Copper-Nickel alloys. Solid solution strengthening
• Insolubility in the solid state: Eutectic phase diagrams
• Partial solubility:
 Pb-Sn Diagram: eutectic morphology
 Al-Si Diagram: irregular eutectics. Modification
 Al-Cu Diagram: precipitation strengthening
• Congruent phase transformations
• Peritectic reaction: Cu-Zn diagram
• Solid state transformations
 Allotropic transformations
 Eutectoid transformation
Contents
Lesson 4: Binary Phase diagrams (I)
32

33.  Endurecimiento por precipitación. Aleaciones bifásicas: Al-Cu
600
T ºC
700
500
0 10 20 30 40
33,2
5,65
Teutéctica 548 ºC
TS AL= 660 ºC
% en peso de Cu
E
αs
L
α
L + α
L + θ (Al2Cu)
α + θ
400
300
540
4,5
L (33,2 %Cu) α (5,65 %Cu) + θ (50%Cu)
 El endurecimiento por precipitación se
basa en dificultar el avance de las
dislocaciones mediante la generación de
una dispersión muy fina de precipitados
en la microestructura del material.
 Para aplicar este tratamiento térmico
el diagrama debe mostrar solubilidad
sólida parcial.
Aplicaciones:
Ampliamente utilizado en Aeronáutica
por su elevada resistencia especifica (R/d)
DURALUMINIOS
Al-4%Cu
Solubilidad parcial + fase intermedia Diagrama Al-Cu
33
Solidificación incongruente
Descubierto por
Alfred Wilm en el
Dürener Metallwerke
AG, en 1903

34. θ
Al2Cu (θ) precipitado de equilibrio
34
Liq + α
Liq
α
α + θ
T
tiempo
Tamb
⇒ Precipitado incoherente con la matriz
⇒ Precipitado duro… pero…
• Poco endurecimiento ← poco % de
fase secundaria
• Fragilización de límites de grano
Diagrama Al-Cu  Enfriamiento de equilibrio

35. Fase de equilibrio Al2Cu (θ):
tetragonal e incoherente con la
matriz (no existe relación entre
las estructuras cristalinas)
Estructuras de transición coherente con la
matriz (existen relaciones cristalinas con la
matriz).
La formación de estas zonas conduce a una
importante distorsión de la red
Fortalecimiento de la aleación.
Distorsión máxima: Zonas de Guinier
Preston (Zonas G-P)
 Precipitados Coherentes e Incoherentes
Endurecimiento por precipitación
Age hardening
35

36. 1.- Matriz dúctil y blanda + precipitado
resistente y duro ⇒ freno a las
dislocaciones
2.- Matriz continua y precipitado discontinuo
3.- Partículas pequeñas y numerosas
incrementan la interferencia
4.- La resistencia de la aleación aumenta con
el contenido de precipitado
5.- Las partículas redondeadas no actúan
como concentradores de tensiones ⇒ no
fragilizan
 Endurecimiento por precipitación: Consideraciones generales
36

37. 1
2
3
Temple
Solución sólida
sobresaturada
Maduración
Artificial/natural
 Etapas del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación
Bonificado = Hipertemple + Maduración
T
t
θ
Microestructura inicial
T-t
θ
37
Solución sólida
Precipitación

38.  Curvas de maduración
(TEM x 60.000)
Fina dispersion de partículas no visible al microscopio óptico (Endurecimiento estructural )
Fortalecimiento más efectivo
También llamado fortalecimiento por
maduración o por envejecimiento
Las aleaciones de aluminio de mayor
resistencia (series: 2xxx, 6xxx y 7xxx) se
producen por este mecanismo de
fortalecimiento
Sobremadurado
38
GP
zones
Máx dureza
S.S.S.
S.S.S.

39. 39

40. Tema 4: Diagrama de Fases I
Índice
• Constitución de aleaciones
• Diagrama de fases de solubilidad total:
• Ley de Gibbs. Aplicación a los diagramas de equilibrio binarios
• Composición y cantidades relativas de las fases en equilibrio. Regla de la palanca
• Diagrama de equilibrio Cu-Ni
 Enfriamiento en condiciones de equilibrio. Evolución de la microestructura
 Enfriamiento en condiciones de no- equilibrio. Microsegregación
• Insolubilidad total. Reacción eutéctica
• Solubilidad parcial:
•Diagrama Pb-Sn – Morfología eutéctico
•Diagrama Al-Si - Eutécticos disociados - Modificación
•Diagrama Al-Cu – Fortalecimiento por precipitación
• Diagramas con fases de fusión congruente
• Reacción peritéctica: Diagrama de equilibrio Cu-Zn
• Transformaciones en estado sólido: Reacción eutectoide

41. Temperatura
(ºC)
Composición (% peso Pb)
Mg Pb
Las fases intermedias pueden tratarse como otro componente en el diagrama.
El diagrama puede simplificarse estudiando las diferentes regiones por separado
Solubilidad parcial en estado sólido: Diagramas con fases de fusión congruente
Diagrama de equilibrio Mg- Pb
Composición (peso Li)
Temperatura
(ºK)
Al Li
Mg2Pb
Congruente y estequiométrico
AlLi
Congruente y no-estequiométrico
Línea vertical en el diagrama Región delimitada por máximo y
mínimo de solubilidad
Diagrama de equilibrio Al-Li
41

42. 42
Reacción peritéctica
β →Incongruente y
no-estequiométrica
Reacción peritéctica:
L ( CL %B) + α (Cα %B) β (CP %B)
TP
Solidificación condiciones de equilibrio
Pt Ag

43. 43
Reacción peritéctica
Solidificación en
condiciones de equilibrio
Todo el líquido reacciona con
toda la fase sólida α para
producir la fase sólida β
β
L
α
β
α
L
Solidificación en condiciones
fuera de equilibrio
Enfriamientos rápidos
⇓
Difusión atómica más lenta
⇓
Transformación incompleta
⇓
Fase α no desaparecerá, quedará
rodeada por la fase β
Encapsulamiento o cercado de la fase α
β
L
α
α
L
β
α
Aleaciones peritécticas  Peligro de microsegregación

44. Diagrama de equilibrio Cu-Zn
Temperatura
(ºC)
Cu Composición (% peso Zn) Zn
α β
α+β 44
Fases intermedias = β, γ, δ, ε
Incongruentes y no-estequiométricas

45. Aleaciones Cu-Zn. LATONES. Características y aplicaciones
45
Latón 70/30, de cartuchería

46. 46
Reacción eutectoide
Composición (% atómico de Zn)
Transformación en estado sólido. A Te hay tres fases solidas en equilibrio
Te
δ
γ ε
e
Líquido
Cγ
Te
Cε
Cδ
Te
Reacción eutectoide:
δ (Cδ %Zn) γ (Cγ %Zn) + ε (Cε%Zn)
Continuará
Tema 4-II

47. 47
Bibliografía
 Shackelford, James F, Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros,
7ª, Pearson Educación, 2010
 Montes J.M., Cuevas F.G., Cintas J., Ciencia e ingeniería de los materiales,
1ª, Paraninfo, 2014
1) Callister W.D., “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los
Materiales”, Ed Reverté, S.A. (2016).
 Capítulo 11. Diagramas de fases
2) Donald R. Askeland, “Ciencia e ingeniería de los materiales”
7ª ed. Ed. Cengage Learning (2017)
 Capítulo 10: Soluciones sólidas y equilibrio de fases