Ingenieria de Materiales - Diagrama de Fases

INGENIERIA DE MATERIALES04. DIAGRAMA DE FASES

ING. EDVER CANELO

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

Gas

Líquido

Sólido

Sublimación

Vaporización

Fusión

Condensación

SolidificaciónDeposición

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.

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

Diagramas de fases de sustancias puras

Diagrama de fases en

equilibrio presión -

temperatura para el agua

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.

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.

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.

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)

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

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.

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.

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.

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.

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)

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

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

Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles

al estado sólido

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

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

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.

A Temperatura 1250°C, la CL=32% y CS=48%Al 40% Ni, la Tsolidus 1280°C y la Tliquidus 1200°C

A Temperatura 400°C, la CL=20% y CS=65%Al 45% Ni, la Tsolidus 350°C y la Tliquidus 510°C