Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia UNIDAD 5 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS...

Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

UNIDAD 5

DIAGRAMAS DE

EQUILIBRIO BINARIOS

(Diagramas de fases)


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

AleaciónMonofásica

Polifásica

Aleación monofásica

Aleación polifásica


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.


Fase

Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una región

que difiere en estructura y/o composición de otra región.

agua

Agua líquida

Hielo

Vapor de agua


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.


Diagramas de fases de sustancias puras

Una sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida y vapor,

dependiendo de las condiciones de temperatura y presión.

Diagrama de fases en

equilibrio presión -

temperatura para el agua


Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio (coexisten) tres fases de un material

Diagrama presión-temperatura carbono


Diagrama de fases en

equilibrio

presión – temperatura,

hierro puro


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…


- 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.


- 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.


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.


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.


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


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


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


TIPOS DE SOLUCION SOLIDA

Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas especies

químicas, se dividen en dos tipos:

a) INTERSTICIALES

Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar espacios

abiertos entre átomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una

SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL.

b) SUSTITUCIONAL.

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

reticulares del solvente, siendo la distribución al azar.


Solución sólida sustitucional: los

átomos de B ocupan posiciones de

la red A

Solución sólida intersticial: los

átomos B ocupan posiciones

intersticiales de la red A


Soluciones sólidas sustitucionales:

En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen en

términos de posición, a los átomos de la matriz.

Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida

ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las 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


Ejemplo:


Solución sólida intersticial:

En las soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto se sitúan en los

intersticios que hay entre los átomos del cristal.


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.


Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido


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


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


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.



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.



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.


Ejemplo:

Determine la composición de cada fase en una aleación Bi – 50% Sb a

550 ºC, 400 ºC, 350 ºC y 300 ºC


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.


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:

1WW L

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

con la masa total de la aleación

0LL CCWCW

Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la

expresión de la regla de la palanca para esta situación particular

L

0L CC

CCW

L

L0

CC

CCW


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

100xenlacedelínealadetotallongitud

opuestopalancadebrazofasedePorcentaje

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

un diagrama de fases binario.

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


Ejemplos:

1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni

que se adjunta, describir el enfriamiento

lento de una aleación de 30% de Ni y

determinar su composición a 1200 ºC.

2. Una aleación compuesta de 2 kg de

Cu y 2 kg de Ni se fundió y

posteriormente se enfrió lentamente

hasta 1300 ºC. Utilizando el diagrama

de equilibrio Cu-Ni, calcular la

concentración y el peso de las fases

presentes a dicha temperatura.

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

de fase para una aleación 50% de Cu a:

1400 ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.


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


e) Solidificación de una aleación en el equilibrio

Cambio de la estructura de una aleación Cu – 40% Ni durante su solidificación

Acero de baja aleación


Solidificación fuera de equilibrio y segregación:

Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos o a lo más unas pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio no se logran. Al solidificar el metal se producen gradientes de concentración que no logran equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone, originando pérdidas de propiedades mecánicas.


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 solidificación

b) Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cada fase a 2400 ºC


Ejemplo

Considere una aleación, cuya composición promedio contienen 60% de antimonio. Comenzando a 550 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 300 ºC, suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determine: (a) Las fases presentes (b) La composición y cantidad de cada fase (c) La microestructura


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.


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.


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


Aleación 1: aleación eutéctica

Aleación 3: aleación hipoeutéctica

Aleación 2: aleación hipereutéctica


a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1


b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2


c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3


Sistema Al-CuAl2

Sistema Fe – C

Eutéctico - Fe3C


Aleación hipereutéctica Fe-C

(cementita primaria)

Aleación hipereutéctica Al-Si

(Silicio primario)


Ejemplo


Ejemplo

Para las aleaciones As-15% Au, aleación de composición eutéctica y As-

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

suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determinar

(a) las fases presentes

(b) la composición de cada fase

(c) la cantidad de cada fase

(d) la microestructura


Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles

al estado sólido


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


a) Aleaciones de

solución sólida


b) Aleaciones que

rebasan el límite de

solubilidad


c) Aleaciones hipoeutécticas


d) Aleación eutéctica


Ejemplos:

1)

2)

Ejemplo


Ejemplo

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

a) La composición del primer sólido que se forma

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

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

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

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

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

g) Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºC

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


Ejemplo

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

a) La composición del primer sólido que se forma

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

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

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

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

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

g) Las cantidades y composición de cada fase a 600 ºC

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


Ejemplo:

Considere 1 kg de una aleación de moldeo de aluminio con un 10% 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 la

microestructura?

d) ¿Cómo se distribuye el silicio en la microestructura a 576 ºC?

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