Diagramas de Fase

Elaborado por: Ing. Xavier Sánchez 1

CIENCIA E INGENIERIA EN MATERIALES

Carrera de Ingeniería Mecánica

DIAGRAMAS DE FASE

Fase es una región la cual difiere de otra ya sea por estructura y/o composición. Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las regiones que se encuentran presentes en los materiales

DIAGRAMAS DE FASE

Información de los diagramas de fase Las fases a diferentes temperaturas,

composiciones en condiciones de enfriamiento lento.

Indicar la solubilidad en estado sólido en equilibrio

Mostrar la temperatura en la que se ha enfriado una aleación, cuando esta empieza a solidificarse y el rango de la temperatura en la que ha sucedido este proceso.

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Diagrama de sustancias puras Una sustancia puede existir en

diferentes estado de acuerdo a las condiciones de temperatura y presión, como ejemplo tenemos al agua en ebullición

PRINCIPIO DE ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN Y RECOCIDO

Gráfico 1 Diagrama de equilibrio de fases aproximado presión – temperatura (PT) para el agua pura (Los ejes del diagrama se encuentran en parte, distorsionados).

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Existen también diagramas para otras sustancias como para el hierro, aleaciones. En el caso del hierro figura 2 existen tres fases sólidas y distintas: hierro alfa (), hierro gamma () y hierro delta (). Los hierros y tiene estructuras BCC y el hierro es FCC.

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Grafico 2. Diagrama de equilibrio de fases aproximado presión temperatura (PT) para el hierro puro

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EJERCICIO 1 Determine la temperatura de liquidus, la temperatura de solidus y el rango de solidificación para las composiciones cerámicas de MgO-FeO siguientes:

1. (a) MgO-25%peso FeO2. (b) MgO-45%peso FeO3. (c) MgO-65%peso FeO4. (d) MgO-80%peso FeO (Ref:2, p.249 Ej9-8).

Figura 3. Diagrama de fases en equilibrio para el sistema MgO-Feo

Reglas de fases de gibbs Permite calcular el número de fases que coexisten en equilibrio para cualquier sistema, esta ecuación se llama regla de fases de Gibbs.

P + F = C + 2

P = Número de fases que coexisten en un sistema dado.C = Número de componentes del sistemaF = Grados de libertad

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En los diagramas utilizados para la ciencia de los materiales se aplicará la ecuación

P + F = C + 1.

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Sistemas de aleaciones isomorfas binarias

Se considera una aleación de dos metales y a cada uno de estos se los considera independientes, y las aleaciones toman el nombre de isomorfas cuando sólo existe un solo tipo de estructura cristalina para todas las composiciones.Elaborado por:

Ing. Xavier Sánchez 12

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Figura 4 Diagrama de fases de cobre-níquel. El cobre y el níquel tiene solubilidad total tanto en estado líquido como sólido.

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3Regla de la palanca.Para determinar el porcentaje en peso de un punto O dentro de la zona bifásica, este se lo encuentra ya sea por medio del porcentaje de peso en fase sólida o fase líquida del componente que se desee.

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Diagrama de fases binario de dos metales A y B completamente solubles entre sí, a partir del cual se pueden obtener as ecuaciones de la regla de la palanca. A temperatura T, la composición de la fase líquida es wl y la de fase sólida ws.

DIAGRAMAS DE FASE

Fracción en peso de la fase sólida = wlws

wlwoXs

Fracción en peso de la fase líquida =wlws

wowsXl

Donde wo = fracción en peso del punto

deseado. wl = fracción en peso en fase líquida. ws = fracción en peso en fase sólida.

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Ejercicio 2 Determine las fases presentes, las composiciones de cada fase y la cantidad en cada fase en porcentaje en peso para los materiales cerámicos MgO-FeO a 2000 ºC:1. (a) MgO-25%peso FeO2.(b) MgO-45%peso FeO3.(c) MgO-65%peso FeO4.(d) MgO-80%peso FeO (Ref:2, p.249 Ej9-10).

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Ejercicio 3. Una aleación Nb-W contiene 55% de α a 2600 ºC determine:

(a) La composición de cada fase (b) La composición original de la

aleación. (Ref: 2, p. 250 Ej 9-22).

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Diagrama de fases en equilibrio para el sistema Nb-W

Sistema de aleaciones eutécticas binarias En algunas aleaciones binarias se presenta solubilidad limitada como la aleación Pb-Sn, las zonas de restricción son alfa y beta (soluciones sólidas terminales). La primera es una solución rica en Pb que puede disolver un máximo de 19.2% de Sn a 183ºC mientras que la segunda es una solución rica en Sn y pude disolver un máximo de 2.5% de Pb a la misma temperatura.

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Diagrama de fases en equilibrio Pb-Sn. Este diagrama esta caracterizado por la solución limitada en estado sólido de cada fase terminal ( y ). La reacción invariante eutéctica a un 61.9% Sn y 183ºC es el rasgo más importante de todo el sistema. En el punto eutéctico, coexisten (19.2% Sn), (97.5% Sn) y líquido (61.9%).

REACCION EUTECTICA

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Temperatura eutéctica

Líquido solución sólida +solución sólida

Enfriamiento A la reacción eutéctica se la conoce como invariante, durante la reacción eutéctica existen tres fases el equilibrio , y líquida. La notación de la reacción eutéctica del sistema Pb-Sn es: 183ªC

Líquido(61.9% Sn) (19.2% Sn) + (97.5%Sn)

Enfriamiento

Las aleaciones con composiciones entre el 19 y 61.9% de Sn se conocen con el nombre de hipoeutécticas, es decir aleaciones que contienen menos de la cantidad eutéctica de estaño. Una aleación hacia la derecha de la composición eutéctica entre 61.9 y 97.5% es una aleación hipereutéctica.

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Ejercicio 4 Considere una aleación Pb-35 de Sn Determine:

(a) Si ala aleación es hipoeutéctica o hipereutéctica.

(b) La composición del primer sólido que se fiema durante la solidificación.

(c) Cantidades y composición a184ºC

(d) Cantidades y composición a182ºC

(e) Cantidades y composición de cada microconstituyente a 182ºC

(f) cantidades y composición de cada fase a 25ºC. (Ref:2, p.281. Ej10-10).

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Ejercicio 5 Una aleación Pb-Sn contiene 45% de α y 55% β a 100ºC. Determine la composición de la aleación ¿Es la aleación hipoeutéctica o hipereutéctica? (Ref:2, p.281. Ej10-15)

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Sistemas de aleaciones peritécticas binarias La reacción peritéctica se presenta en los diagramas de equilibrio complejos, por lo general si los puntos de fusión son muy diferentes, esta reacción se nota de la siguiente manera

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Líquido +

Enfriamiento

En la figura se muestra la reacción peritéctica en un diagrama de fases de aleación hierro níquel , existen dos fases sólidas ( y ) y una fase líquida. es una solución sólida de níquel BCC y es una solución sólida FCC. La reacción peritéctica se produce cuando la aleación se enfría lentamente por debajo de la temperatura peritéctica que en este caso es de 1517ºC y cuando existe un 4.3% de peso de níquel. También se define el punto peritéctico donde coexisten en equilibrio las tres fases (líquido, y ) y la temperatura peritéctica. La notación de la reacción del diagrama

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Rgión peritéctica del diagrama de fases hierro-níquel. El punto peritéctico esta situado a 4.3% Ni y 1517ºC que es punto c

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1517ºC

Líquido (5.4% en peso Ni) + (4.0% en peso de Ni) (4.3% en peso de Ni)

Enfriamiento

En la reacción peritéctica (L + ) la fase creada rodea y encasilla la fase primaria, esto dentro de un enfriamiento lento.

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Representación esquemática del desarrollo progresivo de la reacción peritéctica

Ejercicio 6 Determine la composición porcentual en peso de una aleación del sistema Fe-Ni que formara una estructura del 45% en peso de delta y el 55% en peso de gama justo por debajo de la temperatura peritéctica. (Ref:5, p.326, Ej8.7.8).

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Sistemas monotécticos binarios Esta se caracteriza por que una fase líquida se transforma en una fase sólida y otra liquida, se nota de la siguiente forma:

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L1 + L2

Enfriamiento

Esta reacción se produce en composiciones donde los dos líquidos no son miscibles (como el agua y el aceite) , una reacción así ocurre en el sistema Cu – Pb a 955ºC y 36% de Pb, este diagrama tiene un punto eutéctico a 326ºC y 99.94% Pb es así que a temperatura ambiente se forman soluciones de Pb con 0.007% Cu y cobre casi puro con 0.005 % Pb.

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Diagrama de fases del cobre – plomo. El rasgo más importante de este diagrama es la reacción invariante monotéctica a 36% de Pb y 955ºC. En el punto monotéctico pueden coexistir (100% Cu), L1 (36% Pb) y L2 (87% Pb). Engase en cuenta que el cobre y el plomo son insolubles entre si.

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Nombre de la

reacción

Ecuación Característica del diagrama de

Eutéctica

Eutectoide

Peritéctica

Peritectoide

Monotéctica

Diagramas de fase con fases intermedias Muchos diagramas de fases son complejos, en los diagramas de fase es necesario hacer hincapié en dos tipos de soluciones sólidas las que son fases terminales e intermedias, las primeras se encuentran presentes en los extremos del diagrama de fase como son y en la Cu - Ni, mientras que las segundas se presentan dentro de un rango de composiciones dentro del diagrama de fases Fig siguiente, en esta figura y son fases terminales y , , y son intermedias.

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Diagramas de fase con compuestos intermedios Se forman entre un dos metales o entre un metal y un no metal, como ejemplo el diagrama Mg-Ni contiene compuestos intermedios Mg2Ni y MgNi2 Fig siguiente En este diagrama MgNi2 es el compuesto congruente (constante). Mientras que Mg2Ni es incongruente que en condiciones de calentamiento sufre descomposición peritéctica a 761ºC transformándose en un liquido y en una fase MgNi2.

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Diagrama de fases magnesio-níquel. En este diagrama hay dos compuestos intermetálicos Mg2Ni y MgNi2

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