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como saber clasificar los diagramas de fase para cada proceso
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Universidad de Atacama Departamento de Metalurgia
CIENCIA DE LOS MATERIALES
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
(Diagramas de fases)
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En la mayora de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.
Aleacin
Monofsica
Polifsica
Aleacin monofsica
Aleacin polifsica
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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.
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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
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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.
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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
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Punto triple: presin y temperatura a la que estn en equilibrio
(coexisten) tres fases de un material
Diagrama presin-temperatura carbono
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Diagrama de fases en
equilibrio
presin temperatura,
hierro puro
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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
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- 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.
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- 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.
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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.
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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.
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a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
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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
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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
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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.
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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
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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
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Ejemplo:
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Solucin slida intersticial:
En las soluciones slidas intersticiales, los tomos de soluto se sitan en
los intersticios que hay entre los tomos del cristal.
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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.
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Tipo I: Solubilidad total al estado slido y liquido
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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
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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
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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
composicin de la aleacin,
se pueden determinar las
fases que se encuentren
presentes.
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c) Composicin de cada fase
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.
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c) Composicin de cada fase
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.
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Ejemplo:
Determine la composicin de cada fase en una aleacin Bi 50% Sb a
550 C, 400 C, 350 C y 300 C
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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.
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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
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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)
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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Aleacin 1: aleacin eutctica
Aleacin 3: aleacin hipoeutctica
Aleacin 2: aleacin hipereutctica
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a) Microestructura enfriamiento lento Aleacin 1
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b) Microestructura enfriamiento lento Aleacin 2
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c) Microestructura enfriamiento lento Aleacin 3
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Sistema Al-CuAl2
Sistema Fe C
Eutctico - Fe3C
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Aleacin hipereutctica Fe-C
(cementita primaria)
Aleacin hipereutctica Al-Si
(Silicio primario)
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Ejemplo
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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
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Tipo III : Totalmente soluble al estado lquido y parcialmente solubles
al estado slido
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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
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a) Aleaciones de
solucin slida
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b) Aleaciones que
rebasan el lmite de
solubilidad
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c) Aleaciones hipoeutcticas
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d) Aleacin eutctica
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Ejemplos:
1)
2)
Ejemplo
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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
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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
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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?
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