diagrama de fase

Universidad de Atacama Departamento de Metalurgia

CIENCIA DE LOS MATERIALES

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

(Diagramas de fases)


En la mayora de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.

Aleacin

Monofsica

Polifsica

Aleacin monofsica

Aleacin polifsica


Una fase tiene las siguientes caractersticas:

La misma estructura y ordenamiento atmico en todo el material.

Tiene en general la misma composicin y propiedades en su interior.

Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases

circundantes.

Definicin de Fase

Toda porcin, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es

fsicamente homognea dentro de s misma y limitada por una superficie, de

tal modo que sea mecnicamente separable de cualquier otra porcin.


Fase

Una fase de un material, en trminos de su microestructura, es una regin

que difiere en estructura y/o composicin de otra regin.

agua

Agua lquida

Hielo

Vapor de agua


Diagramas de fases

Son representaciones grficas de las fases que estn presente en un sistema

de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.

De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente informacin:

Mostrar que fases estn presentes a diferentes composiciones y

temperaturas

Determinar la temperatura a la cual una aleacin enfriada bajo condiciones

de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se

presenta la solidificacin.

Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.


Diagramas de fases de sustancias puras

Una sustancia pura puede existir en las fases slida, lquida y vapor,

dependiendo de las condiciones de temperatura y presin.

Diagrama de fases en

equilibrio presin -

temperatura para el agua


Punto triple: presin y temperatura a la que estn en equilibrio

(coexisten) tres fases de un material

Diagrama presin-temperatura carbono


Diagrama de fases en

equilibrio

presin temperatura,

hierro puro


Es importante conocer el comportamiento de un material con la

temperatura. Tres ejemplos:

- Cuando el ejrcito nazi, se encontr en campo sovitico durante el fro

invierno, no haban tenido en cuenta que todo su armamento metlico, iba a

sufrir las consecuencias del fro. A -40 C, los aceros pueden contraerse entre

1 - 4%, en funcin del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un

tubito por donde sale una bala de can, que debera medir 100mm, se ha

encogido 2 3mm


- El PTFE, (tefln) en estado 100% slido, puede soportar hasta los 270C, sin

perder sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315C por

qu no ms all? Resulta que a partir de 325C, el PTFE empieza a

carbonizarse, y a emitir unos vapores que son bastante txicos.


- En los aceros, existen una fase de transicin, donde el material cambia su

capacidad de deformarse, o sea, pasa de dctil a frgil. Cuando se

recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, se realizaron los ensayos

para determinar la temperatura de transicin del acero utilizado, determinando

que era -15 C. As que el empleo de ese material, la temperatura del agua por

donde andaban, adems de otros detalles estructurales como las uniones

entre planchas, provoc la ruptura del casco, y el hundimiento del barco. La

culpa no fue solamente el choque contra el iceberg.


Solubilidad y soluciones slidas

Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo

cuando se agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar

soluciones slidas o lquidas.


Solucin slida:

Fase slida formada por la combinacin de dos o ms elementos que estn

atmicamente dispersos, formando una nica estructura (fase) y de

composicin variable (por ser una solucin, hay un rango de solubilidad).

Solubilidad de soluciones slidas:

Solubilidad total (completa)

Solubilidad parcial o limitada

Insolubilidad total

Mezcla: formada por dos o ms fases, cuyas caractersticas se mantienen

cuando se forma la mezcla.


a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total


a) y b) Cu y Ni lquidos son totalmente solubles entre s, las aleaciones

slidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que

contienen ms de 30% de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad

limitada del Zn en el Cu


Lmite de solubilidad

Para una temperatura especfica, existe una concentracin mxima de

tomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solucin

slida.

Solubilidad del azcar en un jarabe de agua azucarada


TIPOS DE SOLUCION SOLIDA

Es la fase cristalina nica y homognea que contiene dos o mas especies

qumicas, se dividen en dos tipos:

a) INTERSTICIALES

Cuando el tomo de soluto es lo bastante pequeo para ocupar espacios

abiertos entre tomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una

SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL.

b) SUSTITUCIONAL.

Es cuando los tomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos

reticulares del solvente, siendo la distribucin al azar.


Solucin slida sustitucional: los

tomos de B ocupan posiciones de

la red A

Solucin slida intersticial: los

tomos B ocupan posiciones

intersticiales de la red A


Soluciones slidas sustitucionales:

En las soluciones slidas sustitucionales, los tomos de soluto sustituyen en

trminos de posicin, a los tomos de la matriz.

Para que un sistema de aleacin, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad slida

ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de

Hume- Rothery:

El radio atmico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en ms

del 15%,para minimizar la deformacin de la red.

Los elementos no deben formar compuestos entre s. 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 disolucin slida debe ser la

misma


Ejemplo:


Solucin slida intersticial:

En las soluciones slidas intersticiales, los tomos de soluto se sitan en

los intersticios que hay entre los tomos del cristal.


Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en

cualquier combinacin de temperatura y composicin de la aleacin.

Se tienen 3 tipos de diagramas:

Tipo I: Solubilidad total al estado slido y liquido

Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado

slido

Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al

estado slido.


Tipo I: Solubilidad total al estado slido y liquido


a) Temperatura liquidus y solidus

b) Fases presentes

c) Composicin de cada fase

d) Cantidad de cada fase (regla de

la palanca)

e) Solidificacin de aleaciones

Informacin de los diagramas de fases


a) Temperatura liquidus y solidus

La temperatura liquidus o de

lquido se define como aquella

arriba de la cual un material es

totalmente lquido.

La temperatura solidus o de

slido, es aquella por debajo de la

cual esa aleacin es 100% slida

La diferencia de temperaturas entre

la de lquido y la de slido es el

intervalo de solidificacin de la

aleacin


b) Fases presentes

El diagrama de fases puede

considerarse como un mapa

de caminos; si se conocen las

coordenadas, temperatura y

composicin de la aleacin,

se pueden determinar las

fases que se encuentren

presentes.



Cada fase presente en una aleacin

tiene una composicin, expresada

como el porcentaje de cada elemento

en la fase.

Cuando se encuentra presente slo

una fase en la aleacin, la

composicin de la fase es igual a la

composicin general de la aleacin.

Cuando coexisten dos fases, como

lquido y slido, la composicin de

ambas difiere de la composicin

general original.

Usualmente la composicin est

expresada en porcentaje en peso.



Se utiliza una lnea de enlace o

isoterma para determinar la

composicin de las dos fases

Una lnea de enlace o isoterma es

una lnea horizontal en una regin

de dos fases, que se traza a la

temperatura de inters.

Los extremos de la isoterma

representan la composicin de las

dos fases en equilibrio.


Ejemplo:

Determine la composicin de cada fase en una aleacin Bi 50% Sb a

550 C, 400 C, 350 C y 300 C


d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)

Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleacin

Considere el diagrama de fases

del cobre-nquel y la aleacin de

composicin C0 a 1250C, donde

C y CL representan la

concentracin de nquel en el

slido y en el lquido y W y WL

las fracciones de masa de las

fases presentes.


La deduccin de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de

conservacin de la masa:

En primer lugar, tratndose de una aleacin bifsica, la suma de las fracciones

de las fases presentes debe ser la unidad:

1WW L

En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir

con la masa total de la aleacin

0LL CCWCW

Las soluciones simultneas de estas dos ecuaciones conducen a la

expresin de la regla de la palanca para esta situacin particular

L

0L

CC

CCW

L

L0

CC

CCW


En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:

100xenlacedelnealadetotallongitud

opuestopalancadebrazofasedePorcentaje

Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier regin de dos fases de

un diagrama de fases binario.

Se utiliza para calcular la fraccin relativa o porcentual de una fase en una

mezcla de dos fases.

Los extremos de la palanca indican la composicin de cada fase (es decir,

la concentracin qumica de los distintos componentes)


Ejemplos:

1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni

que se adjunta, describir el enfriamiento

lento de una aleacin de 30% de Ni y

determinar su composicin a 1200 C.

2. Una aleacin compuesta de 2 kg de

Cu y 2 kg de Ni se fundi y

posteriormente se enfri lentamente

hasta 1300 C. Utilizando el diagrama

de equilibrio Cu-Ni, calcular la

concentracin y el peso de las fases

presentes a dicha temperatura.

3. En el sistema Cu-Ni, haga el anlisis

de fase para una aleacin 50% de Cu a:

1400 C, 1300 C, 1200 C y 1100 C.


Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de

solidificacin:

Si la solidificacin es extraordinariamente lenta, sta ocurre segn el

diagrama de equilibrio de fases.

En la prctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se

produce una distribucin no homognea del soluto en el slido, esto es

conocido como segregacin.

e) Solidificacin de una aleacin


e) Solidificacin de una aleacin en el equilibrio

Cambio de la estructura de una aleacin Cu 40% Ni durante su solidificacin

Acero de baja aleacin


Solidificacin fuera de equilibrio y segregacin:

Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos o a lo

ms unas pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio no se logran. Al

solidificar el metal se producen gradientes de concentracin que no logran

equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone, originando

prdidas de propiedades mecnicas.


Ejemplo

Para las aleaciones NiO-30% mol MgO, NiO-45% mol MgO y NiO-85% mol MgO

a) Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo de solidificacin

b) Determine las fases presentes, la composicin y cantidad de cada fase a 2400 C


Ejemplo

Considere una aleacin, cuya composicin promedio contienen 60% de

antimonio. Comenzando a 550 C y a intervalos de 50 C, hasta 300 C,

suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determine: (a) Las fases

presentes (b) La composicin y cantidad de cada fase (c) La microestructura


Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al

estado slido

Tcnicamente no existe ningn par de metales que sean totalmente insolubles uno en

otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prcticamente

pueden considerarse como insolubles.


El punto de interseccin de las

lneas liquidus, se denomina

punto eutctico.

E

La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificacin

del eutctico

La composicin 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como

composicin eutctica.


Cuando el lquido de composicin eutctica se enfra lentamente hasta la

temperatura eutctica, la fase lquida se transforma simultneamente en

dos fases slidas. Esta transformacin se conoce como reaccin eutctica y

se escribe:

BslidoAsoldoLquidoeutcticaatemperatur

toenfriamien


Aleacin 1: aleacin eutctica

Aleacin 3: aleacin hipoeutctica

Aleacin 2: aleacin hipereutctica


a) Microestructura enfriamiento lento Aleacin 1


b) Microestructura enfriamiento lento Aleacin 2


c) Microestructura enfriamiento lento Aleacin 3


Sistema Al-CuAl2

Sistema Fe C

Eutctico - Fe3C


Aleacin hipereutctica Fe-C

(cementita primaria)

Aleacin hipereutctica Al-Si

(Silicio primario)


Ejemplo


Ejemplo

Para las aleaciones As-15% Au, aleacin de composicin eutctica y As-

85% Au, Comenzando a 1100 C y a intervalos de 50 C, hasta 500 C,

suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determinar

(a) las fases presentes

(b) la composicin de cada fase

(c) la cantidad de cada fase

(d) la microestructura


Tipo III : Totalmente soluble al estado lquido y parcialmente solubles

al estado slido


Solvus: lneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad

mxima (solucin saturada) de B en A (solucin ) o de A en B (solucin )

en funcin de la temperatura.

El punto E, como en el tipo II, es el punto eutctico

Reaccin eutctica:

slidasolucinslidasolucinLquidoeutcticaatemperatur

toenfriamien


a) Aleaciones de

solucin slida


b) Aleaciones que

rebasan el lmite de

solubilidad


c) Aleaciones hipoeutcticas


d) Aleacin eutctica


Ejemplos:

1)

2)

Ejemplo


Ejemplo

En una aleacin Pb-15% Sn que se solidifica lentamente, determine:

a) La composicin del primer slido que se forma

b) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de

solidificacin

c) Las cantidades y composiciones de cada fase a 260 C

d) Las cantidades y composiciones de cada fase a 183 C

e) Las cantidades y composiciones de cada fase a 184 C

f) Las cantidades y composiciones de cada fase a 182 C

g) Las cantidades y composicin de cada fase a 25 C

h) Repetir de a hasta g para una aleacin Pb-70% Sn


Ejemplo

En una aleacin Cu-10% Ag que se solidifica lentamente, determine:

a) La composicin del primer slido que se forma

b) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de

solidificacin

c) Las cantidades y composiciones de cada fase a 1000 C

d) Las cantidades y composiciones de cada fase a 850 C

e) Las cantidades y composiciones de cada fase a 781 C

f) Las cantidades y composiciones de cada fase a 779 C

g) Las cantidades y composicin de cada fase a 600 C

h) Repetir de a hasta g para :aleacin Cu-30% Ag y Cu-80% Ag


Ejemplo:

Considere 1 kg de una aleacin de moldeo de aluminio con un 10% en

peso de Si.

a) Cul es la primera fase slida y cual es su composicin?

b) A qu temperatura solidificar completamente la aleacin?

c)Qu cantidad de fase proeutctica se encontrar en la

microestructura?

d) Cmo se distribuye el silicio en la microestructura a 576 C?

diagrama de fase

Documents