Tema 2. ALEACIONES. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

Transcripción

1 1. DISOLUCIONES SÓLIDAS. ALEACIONES...2 A. Constitución de las aleaciones...2 B. Disolvente y soluto...2 C. Tipos de disoluciones sólidas. Deformaciones en la red cristalina CRISTALIZACIÓN DE LSO METALES PUROS Y DE LAS ALEACIONES...3 A. Solidificación...3 B. Energía necesaria para llevar un metal al estado líquido...3 C. Etapas de solidificación DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DIAGRAMAS DE FASES...4 A. Conceptos...4 B. Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido...4 C. Diagramas binarios de aleaciones insolubles en estado sólido...6

2 1. DISOLUCIONES SÓLIDAS. ALEACIONES A. Constitución de las aleaciones Aleación es todo producto que resulta de la unión de dos o más elementos químicos, uno de los cuales tiene carácter metálico. Propiedades como tenacidad, dureza o conductividad se mejoran en la aleación notablemente respecto del metal base. Se pueden formar aleaciones binarias, por ejemplo el acero ordinario (Fe y C) y hasta de siete elementos o más, como los aceros rápidos (Fe, C, Co, W, Cr, V y Mo). Para que el producto resultante de la unión de dos o más elementos químicos tenga carácter metálico, se tiene que cumplir: Que los elementos componentes sean totalmente miscibles en estado líquido, de tal forma que al solidificarse resulte un producto homogéneo. Que el producto resultante tenga carácter metálico. Los enlaces metálicos deben permanecer en la aleación. B. Disolvente y soluto Inicialmente el disolvente es el componente que entra en mayor proporción, y soluto es el que lo hace en menor proporción, pero cuando los elementos solubles no posean la misma red cristalina, se considera disolvente al elemento que conserva la red, aunque se encuentre en menor proporción. La proporción en la que intervienen el disolvente y el soluto se expresa mediante la concentración, indicada de forma porcentual, así: m S : masa del soluto Concentración de soluto: m D : masa del disolvente C S = m s m S +m D.100 C. Tipos de disoluciones sólidas. Deformaciones en la red cristalina. Las aleaciones metálicas son disoluciones sólidas entre dos o más elementos. Disponiendo de la disposición de los átomos del disolvente y soluto, se dan dos tipos de disoluciones: Solución por sustitución: los átomos de disolvente y soluto tienen estructura cristalina similar y ambos forman parte del edificio cristalino al reemplazarse átomos del disolvente por átomos del soluto. Solución por inserción: se presenta cuando los átomos de soluto son muy pequeños comparados con los átomos del disolvente, y se colocan en en interior, en los intersticios, de la red cristalina del disolvente. Cuando los átomos que sustituyen o que se insertan en la red son de tamaño superior o inferior a los sustituidos o a los huecos que presenta la red, ésta se deforma provocando tensiones internas semejantes a las que se originan en un ensayo de tracción o una deformación en frío. Se produce entonces un aumento en el límite elástico. El material aumenta la carga de rotura pero se vuelve más frágil.

3 2. CRISTALIZACIÓN DE LSO METALES PUROS Y DE LAS ALEACIONES A. Solidificación La cristalización o formación de los cristales tiene lugar mediante un proceso de solidificación. En los metales puros la solidificación se hace a temperatura constante (a). En las aleaciones la temperatura de solidificación no permanece constante en el proceso de solidificación (c). B. Energía necesaria para llevar un metal al estado líquido Para fundir un metal primero tendremos que aportar energía para elevar su temperatura hasta la temperatura de fusión y posteriormente la energía necesaria para que se produzca el cambio de estado. Q=m.c e.(t f T )+m.l f m: masa de metal a fundir. c e : calor específico del metal a fundir. T f : temperatura de fusión del metal. T: temperatura a la que se encuentra el metal a fundir. l f : calor latente de fusión. C. Etapas de solidificación En la solidificación de un metal o aleación se dan las siguientes etapas: a) Nucleación o formación de núcleos estables en la masa fundida. b) Cristalización o crecimiento del núcleo en las tres direcciones del espacio, en las denominadas dentritas, para dar origen a cristales. c) Formación del grano. Los cristales anteriores van dando a su vez origen a una estructura granular. Cuando los metales solidifican en un molde en las paredes del molde hay mayor velocidad de enfriamiento que hacia el núcleo y, además, el metal se adhiere al molde lo que favorece la formación de núcleos de cristalización, con lo que se forma gran cantidad de granos cristalinos. En cambio, a una cierta distancia de la pared del molde la velocidad es más lenta y hay menos núcleos de cristalización, por lo que los granos son mayores.también, durante el enfriamiento, el metal se contrae, con lo que pueden aparecer defectos, como los rechupes y las sopladuras, originados por la falta de metal líquido en la superficie libre del molde o en el interior, respectivamente.

4 3. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DIAGRAMAS DE FASES. A. Conceptos Componente: cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un sistema. Fase: cada una de las partes homogéneas de un sistema que se diferencia físicamente del resto. En los elementos puros fase es sinónimo de estado. Por ejemplo, dentro del sistema agua pueden existir tres fases: la sólida (hielo), la fase líquida y la fase gaseosa (vapor de agua). Las fases no tienen por qué estar formadas por elementos químicos puros, sino que pueden estar constituidas por compuestos químicos, aleaciones o disoluciones. Por ejemplo, el sistema agua salada-hielo está formada por dos fases: una es la solución salina, formada a su vez por agua más NaCl; y otra, el hielo. B. Diagramas isomórficos binarios. Solubilidad total en estado líquido y sólido Aleación isomorfa: componentes totalmente solubles en estado líquido y en estado sólido. Se da en metales con la misma red cristalina, radios atómicos y electronegatividades similares. En una aleación, al enfriar el líquido, se va formando sólido. A continuación, antes de que todo esté solidificado, coexistirán las fases líquida y sólida. Consideremos una aleación binaria de componentes A y B que son totalmente solubles en estado líquido y sólido; a este sistema se le denomina isomorfo. Para confeccionar su diagrama de fases se procede de la siguiente manera. 1. Se toma un número de aleaciones con distinto porcentaje de A y B. 2. Se funden y se dejan enfriar lentamente; se toman los datos tiempo-temperatura, registrando los puntos críticos de cada una de las aleaciones (diagramas de enfriamiento). Los puntos (1) de cada curva representan el comienzo de la formación de cristales (estado sólido), y los puntos (2) representan la formación del último cristal. 3. Se trasladan estos puntos críticos a una gráfica temperatura-concentración, colocándose en la perpendicular correspondiente de isoconcentración (puntos de igual concentración).

5 4. Se unen con una línea todos los puntos (1), y de la misma forma los puntos (2), obteniendo el diagrama de equilibrio de la aleación A-B. La línea que une los puntos (1), donde comienzan a formarse los cristales, es la línea que separa la fase líquida del resto del diagrama, que se denomina línea de liquidus. Por encima de esta línea todas las aleaciones estarán en estado líquido. La línea que une todos los puntos (2) representa la línea de solidus. Por debajo de ella todas las aleaciones se encuentran en estado sólido. Se puede determinar la temperatura a la que comienza a fundir una aleación, y aquella donde estará totalmente fundida, para una concentración determinada. Para ello, se traza una línea vertical por el punto que representa la concentración que interesa (línea m-n); de tal forma que los puntos donde intersecta con las líneas solidus y liquidus, muestran, en el eje de temperaturas, los valores a determinar: T S (temperatura de solidificación) y T L (temperatura de licuefacción). Las líneas de solidus y liquidus dividen el diagrama en tres zonas: Zona L: existe una sola fase, la líquida. Zona S: existe una sola fase, la sólida. Zona L+S: en la zona comprendida entre la línea de liquidus y solidus hay dos fases, líquida y sólida, donde la concentración de cada fase depende de la temperatura.

6 Analicemos lo que ocurre, por ejemplo, con una aleación de 70% de A y 30% de B. 1. Se traza una perpendicular (b S -d L ) por la concentración A-B Por debajo de b S todo está en fase sólida, con concentración A-B Por encima de d L todo se encuentra en fase líquida y con igual concentración A-B Entre b S y d L, a medida que va aumentando la temperatura, va aumentando la fase líquida y disminuyendo la sólida. La concentración del componente de menor punto de fusión se va empobreciendo. Por el contrario, se va enriqueciendo la concentración del componente de mayor punto de fusión. Las concentraciones de cada fase (C L y C S ) para el punto c son las que determinan el trazado de la recta de reparto (segmento horizontal), al cortar las líneas de solidus y liquidus: C L : representa la concentración del líquido, que es el 42% de A y 58% de B. C S : representa la concentración del sólido, que es el 80% de A y 20% de B. La cantidad relativa de cada fase (W L y W S ) o porcentaje de cada una de las fases se calcula aplicando la ley de la palanca: C. Diagramas binarios de aleaciones insolubles en estado sólido. Consideremos una aleación de dos materiales A y B totalmente solubles en estado líquido pero que en estado sólido cada componente cristaliza en una fase distinta. El diagrama que representa una aleación de este tipo se puede ver en la figura. La línea que une los puntos donde empieza la formación de los primeros cristales es la línea de liquidus. Por encima de ella, todas las aleaciones se encuentran en estado líquido. La línea que une todos los puntos donde termina de formarse los cristales es la línea de solidus. En todas las aleaciones, sea cual sea su concentración, la temperatura a la que acaban de solidificar es la misma (T 3 : temperatura del eutéctico). Por debajo de la línea de solidus todas las aleaciones están en estado sólido.

7 De la lectura e interpretación de estos diagramas se pueden saber los puntos de fusión y solidificación de cualquier aleación. También se puede determinar la composición de la aleación eutéctica que es una aleación que funde a una temperatura fija, siendo además la aleación de punto de fusión más bajo. Al ser las aleaciones que tienen la temperatura de fusión más baja son las idóneas para fabricar piezas fundidas, por llenar mejor los moldes y ser más homogéneas Las líneas de solidus y liquidus dividen el diagrama en cuatro zonas, analicemos cada zona. 1) Zona L: existe una sola fase, la líquida. 2) Zona L + A: existen dos fases bien definidas, una de líquido y otra sólida de cristales de A. 3) Zona L+B: existen dos fases, una de líquida y otra sólida de cristales de B. 4) Zona A+B: existe dos fases sólidas, cristales de A y cristales de B. Analicemos una aleación hipoeutéctica, por ejemplo, la que representa la línea a-d. a) En el punto a toda la aleación está en estado líquido y su concentración es A-B b) En el punto b L comienzan a formarse los primeros núcleos cristalinos de A. La concentración de la fase líquida ( b L ) es de A-B 70-30, y la correspondiente a la sólida (b S ) es A-B c) En el punto n se tiene fase sólida de cristales de A y fase líquida. Para calcular la concentración de cada fase se traza la recta de reparto, así la fase sólida es de concentración n S = A-B 100-0, y la líquida de concentración n L = A-B Las cantidades relativas o porcentaje de cada fase se obtienen aplicando la ley de la palanca, de la que resulta: d) En el punto d se tienen cristales A de concentración d S = A-B 100-0, y el resto será líquido, cuya concentración es la del punto c, es decir, la de la aleación eutéctica d L = A-B Los porcentajes de cada una de las fases se obtiene aplicando la ley de la palanca, de la que resulta:

8 e) A partir del punto d hacia abajo, las aleaciones están formados por los cristales de A, formados entre b L y d (cristales primarios de A), y de cristales mixtos de B+A (secundarios de A). Las concentraciones serán el 30% del total de B y 70% de A. Analicemos la aleación eutéctica, A-B 40-60: En el punto e la aleación se encuentra en estado líquido y los componentes están totalmente disueltos. Al llegar al punto c comienzan a cristalizar, al mismo tiempo, cristales del componente A y del componente B, íntimamente mezclados, formando cristales mixtos de composición eutéctica. Por debajo de c no hay cambio ninguno. Analicemos una aleación hipoeutéctica, por ejemplo, la que representa la línea k-q. a) En el punto k se tiene líquido homogéneo de concentración igual a la de la aleación. b) En el punto d comienza la formación de fase sólida de cristales de componente B, en contacto con la fase líquida. La concentración de la fase sólida será A-B 0-100, y la concentración de la fase líquida será la de la aleación. c) En el punto p coexisten dos fases, la líquida y la sólida. La sólida está formada por cristales puros de B. La líquida está formada por los dos componentes, su concentración será p L = A-B 32,5-67,5. El porcentaje de cada fase: d) Al llegar al punto q, la fase líquida tiene una concentración c=a-b 40-60, la de la eutéctica;mientras que la sólida continúa siendo de cristales de elemento puro B. Las cantidades de una y otra son: A partir del punto q hacia abajo, las aleaciones están formados por cristales de B libres y cristales mezcaldos de A y B.

9 Cuestiones (Justifica la respuesta en un máximo de dos líneas) 1. Industrialmente se forman aleaciones para: a) Mejorar determinadas propiedades de los metales puros. b) Rebajar los puntos de ebullición. c) Disolver mejor los metales. 2. En una disolución, cuando disolvente y soluto no tenga la misma red cristalina, se considera disolvente al elemento que: a) Esté presente en mayor proporción. b) No conserva en la disolución su red cristalina. c) Conserva en la disolución su red cristalina. 3. Cuando hay una diferencia de tamaño entre los átomos de soluto y los de disolvente sustituidos en una aleación se observa: a) Un aumento de la carga de rotura del material, pero se vuelve más frágil. b) Al ser de sustitución, las propiedades quedan semejantes a las que había. c) Debido a la formación de la red disminuye la resistencia del material. 4. En los diagramas de solidificación de un metal puro y de una aleación eutéctica mientras dura la solidificación, la temperatura: a) Disminuye progresivamente hasta completar la solidificación. b) Se mantiene constante hasta completar la solidificación. c) Dependiendo de la temperatura que se alcanzó en el horno y de la calidad de aislamiento de las paredes, una vez solidifica manteniendo constante la temeperatura y otras disminuye. 5. Las sopladuras en los metales fundidos son: a) Corrientes de aire que lo enfrían. b) Un material extraño que queda atrapado durante la solidificación. c) Huecos que quedan al solidificar debidos a la contracción del material. 6. La línea de liquidus en un diagrama de equilibrio separa: a) La temperatura por debajo de la cual la aleación está toda en estado sólido. b) La temperatura a partir de la cual la aleación está toda en estado líquido. c) La temperatura de fusión de la aleación. Problemas 1. Dibuje un diagrama de equilibrio entre dos componentes cualesquiera, A y B, solubles completamente en estado sólido, que solidifiquen, en su estado puro, a las temperaturas de 1000 y 1300ºC, respectivamente. En la región bifásica sitúe un punto a la composición del 45% del componente A y a la temperatura de 1100ºC. Se pide: a) Identifique las fases presentes en dicho punto. b) Determine la cantidad relativa de las mismas, sabiendo que C L = 80% (de A) y C α = 20% (de A) Sol. W α =58,3%, W L =41,7% 2. Dos metales A y B, son totalmente solubles en estado líquido y en estado sólido. Solidifican a 1200 y 700ºC, respectivamente. Se sabe que una aleación, con el 80% de A, es totalmente líquida por encima de 1150ºC y sólida por debajo de 1000ºC. Así mismo, otra aleación con el 40% de A, es totalemente líquida por encima de 1000ºC y sólida por debajo de 800ºC. Se pide: a) Dibuje el diagrama de equilibrio indicando las fases presentes en cada una de sus zonas. b) Analice lo que ocurre en el enfriamiento de una aleación del 50% de A, desde 1200ºC hasta la temperatura ambiente. c) Para la aleación anterior y la temperatura de 1000ºC, existe más de una fase? Si la respuesta es afirmativa, qué porcentaje hay de cada una? Sol. W α =25%, W L =75% 3. Una hipotética aleación, de composición 60% de A y 40% de B, está a una temperatura que coexisten una fase sólida α y otra líquida. Si las fracciones másicas de ambas son 0,66 y 0,34, respectivamente, y la fase alfa contiene un 13% del componente B y un 87% del A. Determine la composición de la fase líquida a dicha temperatura. Sol. C L =59% A 4. Para el diagrama de fases A-B de la figura, se pide: a) De qué tipo de aleación se trata?. Cuál es la temperatura de inicio y fin del proceso de solidificación para una composición con el 20% de A? b) Cuál es la temperatura mínima en la que encontraremos una aleación en estado líquido para cualquier composición?. Y la máxima en estado sólido para cualquier composición?

10 c) A partir de que tanto por ciento de A una aleación estará totalmente líquida a 1300 ºC?. Y sólida? d) Calcula el número de fases, composición de cada una y cantidades relativas de cada fase para una aleación con el 70% de A a 1400 ºC. 5. Para el siguiente diagrama, determinar para una aleación del 40% de Ni la cantidad relativa de cada fase para una temperatura de 1250ºC. Sol. W L =50%, W S =50% 6. Haciendo uso del diagrama Bi-Sb que se muestra. Calcular para una aleación del 45% de Sb: a) Transformaciones que experimenta al enfriarse lentamente desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente. b) Dibújese la curva de enfriamiento. c) A qué temperatura habrá un 50% de aleación en estado líquido? Sol. 440ºC d) Porcentaje de las fases a 400ºC. Sol. W L =44,4%, W S =55,6%

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