iv) Solventes y solutos v) Solución sólida:

Transcripción

1 Definiciones Básicas: i) Componente: Especie químicamente distinta ( Fe y C en acero) H 2 O y NaCl en una solución de acuosa de NaCl etc. Pero el número de componentes de un sistema es el número mínimo de especies químicamente independientes, necesario para especificar completamente la composición química de un sistema. Notar que no es lo mismo Componente que constituyente químico ii) Fase: Porción del sistema con características de homogeneidad química y física. Entre cada una de éstas existe una frontera y en cada fase puede haber una o más componentes. iii) Sistemas homogéneos y heterogéneos. iv) Solventes y solutos v) Solución sólida: vi) Límite de solubilidad: Pensar en al caso de fase liquida. Ahora, para sólidos, Cu y Ni tienen solubilidad ilimitada (solubles en toda proporción uno en otro y otro en uno) No, así C y Fe que después de una cierta concentración de C, éste segrega y tenemos dos fases

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3 La microestructura tiene que ver con el arreglo de las fases en un nivel microscópico. Nos interesa, pues, el número de fases, su proporción y su arreglo espacial en el sistema. Aquí, por ejemplo, hay que distinguir en una aleación de Fe con 4 % de C. Las hojuelas grises son grafito, y la matriz está formada por una mezcla íntima de Fe (BCC) y un compuesto Fe 3 C Condición de equilibrio de un sistema

4 Para un sistema en equilibrio termodinámico, el número de grados de libertad F (el número mínimo de variables intensivas independientes que son necesarias para especificar completamente un estado termodinámico) es igual al número de fases, menos el número de componentes, más dos: F=C-P+2 Regla de las fases de J.W. Gibbs. Para una obtención guiada de esta ecuacion, consulte un texto de fisicoquímica o termodinámica, como: Modell and Reid y Levine, I.

5 Un diagrama de fases es la representación grafica de la combinación de T, P, X u otras variables intensivas que especifican que fases pueden existir en tales condiciones (de equilibrio) Diagrama de fases para agua. En un diagrama de fases también es posible observar el conjunto de transformaciones de fase que se presentan cuando se hace un cambio en las variables termodinámicas que definen a un estado.

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11 Sistema isomórfico: Completa solubilidad de los dos componentes tanto en fase líquida como en sólida Note la presencia de tres regiones a, a+ L y L

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31 Con mucha razón Ni y Cu hacen un sistema isomórfico, ya que tienen similar radio atómico, estructura cristalina (FCC) electronegatividad y valencia.

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49 -Importancia de los diagramas de fases: -Consideraciones preliminares: Fase: a) Condición de homogeneidad estructural b) Condición de homogeneidad química. c) Existencia de frontera entre fases (interface) Sistema de ejemplo: agua Regla de las fases de J.W. Gibbs: F=C-F+2 C= número de componentes. Podría decirse que es el número de variables de composición que tendrían que darse para definir completamente la composición química de un sistema. O, el numero de substancias que son químicamente independientes y que definen el contenido de un sistema. También es el numero de substancias químicas, menos el numero de reacciones químicas que las relacionan. Aquí el asunto es cual es el numero mínimo de variables químicas de composición que hay que dar, de forma tal que el sistema quede completamente definido desde el punto de vista de composición química

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51 P es el numero de fases presentes en el sistema F es el número de grados de libertad del sistema, esto es, el numero mínimo de variables intensivas independientes que hacen falta para definir de manera única el estado de equilibrio de un sistema. El numero 2 proviene de que existen 2 variables adicionales que no se pueden omitir (T y P, por ejemplo) Diagramas de fase de un componente: Diagrama de fases (o de equilibrio) para Mg en la vecindad del punto triple. Soluciones y solubilidad: El problema es como hacer para que dos componentes (o mas ) se mantengas en una sola fase Solubilidad ilimitada: agua- alcohol etílico; níquel-cobre (líquido); en fase sólida hacen un sistema FCC. Es una solución sólida completa con átomos ordenados pero Ni y Cu ocupan posiciones al azar. Sistemas de solubilidad limitada. Caso agua-sal Para Zn-Cu hay un liquido a T>Tm (Cu) Si Zn está en cantidad mayor que 30%; en fase sólida existirán dos fases, una con un compuesto saturado de Zn (solución sólida) de Cu-Zn y otro compuesto entre ellos que ya no es solución sólida

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54 a) Cu y Ni líquidos b) También hacen una solución sólida de estructura FCC c) Cu-Zn, el limite superior es de 30 % de Zn Solución sólida y límite de solubilidad para Cu-Zn.

55 Hay mucha variedad en el tipo de diagramas de fase que se ofrecen, lo mejor es encontrar el que uno necesita en un trabajo en particular

56 Condiciones de Hume-Rothery para soluciones sólidas (basadas en aleaciones): -El factor tamaño: Los átomos deben ser de tamaño similar, con un radio atómico no mayor del 15% para minimizar la tensión en la malla -Estructura Cristalina: Los materiales han de tener la misma estructura cristalina; de otra manera existirá algún punto en el que ocurrirá una transición desde una fase a otra con diferente estructura. -Valencia. Una valencia similar favorece la formación de solución sólida. En el caso opuesto se favorece que un átomo de baja valencia se disuelva en otro de valencia alta, más que el caso opuesto. -Electronegatividad. Se favorece con igual electronegatividad, de otra manera se forman más bien compuestos que soluciones sólidas Propuestas para hacer solución sólida con MgO

57 Efecto sobre Cu

58 La diferencia de temperaturas entre liquidus y solidus es el intervalo de congelamiento Se podrá reforzar una matriz de alúmina Al 2 O 3 con fibras a base de Cr 2 O 3 para hacer un material que tenga 2000 C como temperatura de trabajo?

59 Cuál es la composición de cada una de las fases presentes?

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64 La regla de la palanca (Cantidad de cada fase presente): sea x la fracción la aleación que está en fase sólida a (% Ni en a)(x)+(% de Ni en L)(1-x)=% de Ni en la aleación resolviendo para x x= =8/13= A 1250 C el 62 % está como sólido a y el 38 % es un líquido Si se requiere el % atómico y no el % en peso y si M y M son las masas molares de Cu y Ni respectivamente Cu Ni % wt de Ni/M %wtni/m +%wtcu/m Ni % at de Ni= X100 Ni Cu % wt de Cu/M % at de Cu= % wt Ni/M +% wt Ni Cu Cu/M X100 Cu

65 Cambios microestructurales con la solidificación de Cu-40%Ni

66 Formación de compuestos intermetálicos. Un intermetálico esta formado por dos o mas elementos, haciendo una nueva fase con su composición propia, nueva estructura cristalina y nuevas propiedades. Los hay estequiométricos y no estequiométricos (o soluciones sólidas intermedias)

67 Comparación de un par de propiedades del intermetálico Ti3Al Contra las de la superaleación de Ni a) Malla ordenada y b) desordenada en una aleación sustitucional Celda unitaria de dos intermetálicos TiAl y Ni3Al. Ambos son buenos candidatos para aviones supersónicos, motores de avión y aviones comerciales de alta velocidad

68 1) Localice la temperatura (x,t) a la que las tres fases se presentan 2) Localice los tres puntos sobre la línea horizontal, el punto central representa la composición a la que la reacción de tres fases ocurre 3) Identifique la o las fases encima del punto central, localice la o las fases debajo de ese punto. Compare con el machote que se le ha mostrado Diagrama de fases hipotético 1) A % de B; +L= es un peritéctico 2) 950; al 40 % de B L 1 = +L 2 ; es un monotéctico 3) 750; 70 % de B; L = +β; es un eutéctico 4) 450 al 20% de B =a+β es un eutectoide 5) 300; 50% de B; a+β= ; es un peritectoide

69 Los eutécticos, peritécticos y monotécticos son parte de un proceso de cristalización. Se usa en moldeado y soldadura para aprovechar que se presenta un considerable abatimiento de la temperatura de fusión, con respecto a los elementos puros Note que en cada una de estas reacciones de fase los grados de libertad se reducen a cero

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75 Serie de problemas de caracterización de materiales: 1.- En un patrón de difracción de rayos X, Cuál es la secuencia de aparición de las siguientes reflexiones para un sistema cúbico primitivo: 220,300 y 211? 2.- El níquel cristaliza en un sistema cúbico y la primera reflexión que aparece en el patrón de difracción es la que corresponde con 111. Cuál es la celda de Bravais? 3.- En la siguiente lista aparecen los valores de sen 2 para las reflexiones de Cs 2 TeBr 6. Diga a que sistema cúbico corresponden y sabiendo que la radiación es del tipo Cu-K a de l= pm, diga cuánto vale el parámetro de la celda. sin 2 θ: , , , , , , En la siguiente lista le aparecen valores de hkl para las reflexiones de NaCl. Diga usted de que tipo de celda se trata asumiendo que el sistema es cúbico. hkl : Para un cristal cúbico se observan las reflexiones de 111 y las de 222 pero no las de 001, cuál es la celda de Bravais? 6.- Una muestra de 25 mg. de un oxalato hidratado de manganeso, MnC 2 O 4. xh 2 O mostró una pérdida de peso de 20 mg a 100 C. Cuál es la composición del hidrato? Un posterior perdida de peso ocurrió a 250 C; luego cuando se calentó a 900 C se mostró una ganancia en peso, qué procesos podrían haber tenido lugar? 7.- En la siguiente figura se le muestran los comportamientos tipo DTA y TGA del sulfato ferroso heptahidratado, describa los procesos que están ocurriendo como función de T. 8.- Sabiendo que el parámetro de red de una zeolita con estructura cúbica simple es 12.4 Å, calcula el valor de 2θ para las reflexiones 301, 400 y 111, mismas que fueron determinadas utilizando radiación de cobre (λ =1.54Å). 9.-El β-tungsteno cristaliza en una estructura tipo bcc. Cuáles serian los valores de h, k, l para las primeras 10 reflexiones?

76 Serie de problemas de química del estado sólido. j. bobadilla-g. Tavizón. A Continuación se le proporcionan los diagramas de fases de los sistemas que serán tratados en las preguntas. Diagrama de equilibrio para el sistema MgO-NiO a p=1 atmósfera.

77 1. Con base en las condiciones de Hume-Rothery, cuál de los sistemas siguientes es candidato para formar una solución sólida ilimitada. a) Au-Ag b) Al-Cu c) Al-Au d) U-W e) Mo-Ta f) Nb-W g) Mg-Zn h) Mg-Cd 2. Con cuál de los siguientes sólidos espera usted formar la solución sólida de mas amplio intervalo de composición con Al 2 O 3? a) Y 2 O 3 b) Cr 2 O 3 c) Fe 2 O 3 d) TiO Determine las fases presentes, la composición de cada fase y la cantidad de cada fase en % en peso para los siguientes sistemas a 2000 C a) MgO-25% wt. FeO b) MgO-45% wt FeO c) MgO-60% wt FeO d) MgO-80% wt FeO 4. Considere una aleación que contiene 65% en peso de Cu y 35% en peso de Al. Calcule la composición en porcentaje atómico. 5. Considere un cerámico cuya composición molar está expresada como 30% MgO y 70 % FeO. Dé la composición del cerámico en porcentaje en peso. 6. Suponga un crisol que esté hecho de Ni puro, y que sea usado para contener 500 g de cobre líquido a 1150 C. Describa que le pasará al sistema si se mantiene a esta temperatura por varias horas. 7. Un número igual de moles de MgO y FeO se combinan y se funden. Determine a) La temperatura del liquidus b) la temperatura del solidus c) el intervalo de fusión del sistema d) Las fases presentes e) sus composiciones f) las cantidades presentes a 1800 C 8. A un cerámico cuya composición es NiO-60% MgO (molar) se le deja solidificar. Determine a) la composición del primer sólido que se forme b) la composición del último líquido que se forme bajo las condiciones de equilibrio. 9. Para las condiciones de equilibrio en un cerámico de composición MgO-65% FeO (peso) determine a) La temperatura del liquidus b) la temperatura del solidus c) el intervalo de solidificación d) la composición del primero sólido que se forme durante la solidificación d) la composición de ultimo liquido por solidificar e) las fases presentes y la cantidad de cada fase a 1800 C e) las fases presentes, la composición de la(s) fase(s) y la cantidad de la(s) fase(s) a 1600 C. 10. Considere un material cerámico que consiste de 30% MgO (molar) y 70 % de NiO a) a 2500 C que fases están presentes b) Cuál es la composición química de cada fase c) Que cantidad de cada fase está presente d) Haga un análisis similar pero ahora para 2300 C e) Que tal para 2200 C f) Y como será este análisis para T ambiente? f) haría una representación de la imagen de la microestructura que usted espera para cada uno de los incisos que se le piden.