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INGENIERIA DE MATERIALES04. DIAGRAMA DE FASES
ING. EDVER CANELO
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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.
Definición de Fase
Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es
físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de
tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción.
agua
Agua líquida
Hielo
Vapor de agua
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Gas
Líquido
Sólido
Sublimación
Vaporización
Fusión
Condensación
SolidificaciónDeposición
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Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema
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 y
temperaturas
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones
de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se
presenta la solidificación.
Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
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Regla de las fases
Para caracterizar completamente sistema termodinámico es necesario conocer el valor de un número de variables intensivas independientes.
L = C – F + 2
L número de variables intensivas independientes (grados de libertad del sistema)
C número de componentes químicos del sistema
F número de fases presentes en el sistema
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Diagramas de fases de sustancias puras
Diagrama de fases en
equilibrio presión -
temperatura para el agua
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El diagrama P-T nos permite identificar que estructura presentará las sustancias puras a ciertas condiciones determidas.
Agua Pura (3 fases) Fase Solida, Fase Liquida o Fase Gaseosa
Hierro Puro (5 fases) Fase solida Fe α, Fase solida Fe δ, Fase solida Fe γ, Fase Solida, Fase Gaseosa.
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Es importante conocer el comportamiento de un material con la
temperatura. Tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante el frío
invierno, no habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a
sufrir las consecuencias del frío. A -40 ºC, los aceros pueden contraerse entre
1 - 4%, en función del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un
tubito por donde sale una bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha
encogido 2 ó 3mm…
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- El PTFE, (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta los 270ºC, sin
perder sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por
qué no más allá? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a
carbonizarse, y a emitir unos vapores que son bastante tóxicos.
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- En los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su
capacidad de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Cuando se
recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, se
realizaron los ensayos para determinar la temperatura de transición del acero utilizado
, determinando que era -15 ºC. Así que el empleo de ese material, la
temperatura del agua por donde andaban, además de otros detalles
estructurales como las uniones entre planchas, provocó la ruptura del casco, y
el hundimiento del barco. La culpa no fue solamente el choque contra el
iceberg.
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Tres regiones o campos de fases• Región α Disolución sólida sustitucional de átomos
de Cu y Ni de estructura cúbica de caras centrada. • Región Líquido disolución líquida homogénea
compuesta de Cu y Ni• Región bifásico (α + L)
Cada región está definida por la fase o fases existentes en el intervalo de temperaturas y composiciones acotadas por los límites de fases.
Por debajo de solidus, el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido para todas las composiciones, razón por la cual el sistema se denomina isomorfo.
Diagrama Fase Binario
Liquidus: Línea que separa los campos de fases L y (L+α). Arriba de liquidus, se tiene fase líquida a toda T y composición.Solidus: Línea que separa los campos de fases α y (L+α). Debajo de solidus, se tiene fase sólida (α) a toda T y composición.Letras griegas minúsculas (α, β, γ, etc.): cada una de ellas representa una solución sólida.
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940ºC
1064ºC
Ag (pura)
Au (puro)
Ag75Au25
Ag25Au75
Temp
tiempo
Ag Estructura FCCT fusión= 960R at.= 1.65Å
Au Estructura FCCT fusión= 1064R at.= 1.74Å
Ag50Au50
50% y 50%(AgAu)
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Solubilidad y soluciones sólidas
Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo
cuando se agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar
soluciones sólidas o líquidas.
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Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de
composición variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:
Solubilidad total (completa)
Solubilidad parcial o limitada
Insolubilidad total
Mezcla: formada por dos o más fases, cuyas características se mantienen
cuando se forma la mezcla.
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a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
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a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleaciones
sólidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que
contienen más de 30% de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad
limitada del Zn en el Cu
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Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de
átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solución
sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
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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.
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Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
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a) Temperatura liquidus y solidus
b) Fases presentes
c) Composición de cada fase
d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
e) Solidificación de aleaciones
Información de los diagramas de fases
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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
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b) Fases presentes
El diagrama de fases puede
considerarse como un mapa
de caminos; si se conocen las
coordenadas, temperatura y
composición de la aleación,
se pueden determinar las
fases que se encuentren
presentes.
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c) Composición de cada fase
Cada fase presente en una aleación
tiene una composición, expresada
como el porcentaje de cada elemento
en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo
una fase en la aleación, la
composición de la fase es igual a la
composición general de la aleación.
Cuando coexisten dos fases, como
líquido y sólido, la composición de
ambas difiere de la composición
general original.
Usualmente la composición está
expresada en porcentaje en peso.
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c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o
isoterma para determinar la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es
una línea horizontal en una región
de dos fases, que se traza a la
temperatura de interés.
Los extremos de la isoterma
representan la composición de las
dos fases en equilibrio.
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d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de fases
del cobre-níquel y la aleación de
composición C0 a 1250°C, donde
C y CL representan la
concentración de níquel en el
sólido y en el líquido y W y WL
las fracciones de masa de las
fases presentes.
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Punto B @ 1250°C Aleación de composición global C0 (35%wt de Ni). Región (α+L)El punto B está constituido por Fase líquida de Composición CL (31.5%wt Ni) Fase sólida α de composición CS (42.5%wt Ni)
Las fracciones en masa del líquido y del sólido son:0.68
31.542.5
3542.5
CC
CC
SR
SW
Lα
0αL
0.3231.542.5
31.535
CC
CC
SR
RW
L
L0
Si se parte de 100 kg de aleación de composición global C0 (35%wtNi-65%wtCu) entonces a 1250°C esta aleación estará formada por
68 kg de líquido L 32 kg de sólido α
La composición del líquido L es CL (31.5%wt Ni-68.5%wt Cu) La composición del sólido α es CS (42.5%wt Ni-57.5%wt Cu)
Determinación de cantidades relativas de cada fase (regla de la palanca inversa)
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Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de
solidificación:
Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre según el
diagrama de equilibrio de fases.
En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello
se produce una distribución no homogénea del soluto en el sólido, esto es
conocido como segregación.
e) Solidificación de una aleación
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Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles uno en otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden considerarse como insolubles.
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El punto de intersección de las líneas liquidus, se denomina punto eutéctico.
E
La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificación del eutéctico
La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como composición eutéctica.
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Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en dos fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica y se escribe:
BsólidoAsolídoLíquidoeutécticaatemperatur
toenfriamien
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Aleación 1: aleación eutéctica
Aleación 3: aleación hipoeutéctica
Aleación 2: aleación hipereutéctica
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Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles
al estado sólido
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Sistemas Eutécticos Binarios
Tres regiones monofásicas:
Tres regiones bifásicas:
Sólido α: SS rica en Cu, tiene Ag como soluto y la estructura cristalina es cúbica de caras centrada.
Sólido β: SS rica en Ag, tiene Cu como soluto y la estructura cristalina es cúbica de caras centrada.
Lineas solvus, solidus y liquidus.
Isoterma eutéctica
Punto E = Punto invariante, tiene composición eutéctica CE y temperatura eutéctica TE.
Diagrama eutéctico binario parcialmente soluble en estado sólido
Reacción eutéctica:
)()()( EEntocalentamie
E CCtoenfriamien
CL
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Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad
máxima (solución saturada) de B en A (solución ) o de A en B (solución ) en
función de la temperatura.
El punto E, como en el tipo II, es el punto eutéctico
Reacción eutéctica:
sólidasoluciónsólidasoluciónLíquidoeutécticaatemperatur
toenfriamien
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a) Aleaciones de
solución sólida
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b) Aleaciones que
rebasan el límite de
solubilidad
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c) Aleaciones hipoeutécticas
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d) Aleación eutéctica
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DIAGRAMA HIERRO – CARBONO
La concentración del carbono no puede ser mayor del 6.67%, ya que si fuese mayor perdería cualidades metálicas y recibiría el nombre de composición química.
HIERRO.- contenido de carbono entre 0.008% y el 0.025%. El hierro puro es difícil de obtener. Su aplicación están limitadas casi exclusivamente a núcleos de inductancias.
ACERO.- contenido de carbono entre 0.025% y el 1.76%. El campo de la acción del acero es muy amplio, abarcando todo los campos de la industria.
FUNDICIONES.- contenido de carbono entre 1.76% y el 6.67%. La característica fundamental de la fundición es su extraordinaria dureza, que la hace ideal para herramienta de corte.
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A Temperatura 1250°C, la CL=32% y CS=48%Al 40% Ni, la Tsolidus 1280°C y la Tliquidus 1200°C
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A Temperatura 400°C, la CL=20% y CS=65%Al 45% Ni, la Tsolidus 350°C y la Tliquidus 510°C
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