UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADEMICO EL SABINO UNIDAD CURRICULAR: CIENCIAS DE LOS MATERIALES UNIDAD IV: Diagramas de Fases PROFESOR: ING. VANESSA GUARECUCO NOVIEMBRE 2016
DEFINICIONES BASICAS: SISTEMAS DE ALEACIONES: Es la unión de dos o más metales en todas sus combinaciones posibles, es decir, considerando todas las concentraciones posibles del metal A con el metal B. Elementos químicos que se combinan para producir una solución. COMPONENTE: es uno de los elementos químicos que constituye el sistema de aleación. FASE: es una porción físicamente diferenciada de un sistema. Existen las fases: solida, liquida y vapor. SOLUBILIDAD LIMITADA: Ocurre cuando durante el proceso de mezcla de la solución el soluto no logra disolverse completamente en el solvente. En este caso se producen dos o más fases en la solución. Ejemplo: cobre y zinc (la solubilidad máxima a temperatura ambiente es de 36% de zinc en cobre). SOLUBILIDAD ILIMITADA: Se puede disolver cualquier cantidad de soluto en el solvente durante el proceso de mezcla lo que produce una sola fase solida. Ejemplo: agua y alcohol. LEY DE GIBBS: Según consideraciones termodinámicas, J.W. Gibbs obtuvo una ecuación que permite calcular el número de fases que coexisten en equilibrio para cualquier sistema. Esta ecuación llamada Regla de las fases de Gibbs, es: P + F = C + 2 Donde; P: número de fases que coexisten en un sistema C: número de componentes que coexisten en un sistema F: grados de libertad. Normalmente un componente C es un elemento, compuesto o solución del sistema. F, los grados de libertad, es el número de variables (presión, temperatura y composición) que se pueden cambiar independientemente sin alterar el estado de la fase o de las fases en el equilibrio. Si se aplica la ley de Gibbs al diagrama: En el punto triple coexisten tres fases de equilibrio y que hay un solo componente en el sistema (agua), podemos calcular los grados de libertad: P + F = C + 2 3 + F = 1 + 2 F = 0 (grados de libertad)
Como ninguna de las variables (presión o temperatura) se puede cambiar manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto triple se denomina punto invariante. Si se considera un punto de la curva de solidificación solido-liquido en cualquier punto de esa línea habrá dos fases que coexisten y tenemos: 2+ F = 1 + 2 F = 1 (grados de libertad) Esto indica que hay un grado de libertad por tanto puede cambiarse una de las variables (T o P) independientemente y mantener un sistema con dos fases coexistentes. Así, si se especifica una presión determinada, solo hay una temperatura a la que pueden coexistir tanto la fase liquida como la solida. Para un tercer caso si se considera un punto sobre el diagrama P-T del agua dentro de una única fase, sólo habrá una fase presente (P=1) y sustituyendo en la ecuación: 1 + F = 1 + 2 F =2 (grados de libertad) Esto indica que pueden cambiarse independientemente dos variables (T y P) y el sistema aun permanecerá en una única fase. DIAGRAMA DE FASE: Son representaciones graficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales. La mayoría de los diagramas de fases han sido construidos mediante condiciones de equilibrio y tanto los ingenieros como los científicos los utilizan para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Parte de la información más importante que se puede obtener a partir de los diagramas de fase radica en la posibilidad de: a.- Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas en condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). b.- Indicar la solubilidad en estado solido y de equilibrio de un elemento (o bien una composición) en otro. c.- Indicar la temperatura a la cual una aleación que se ha enfriado en condiciones de equilibrio comienza a solidificar. d.- Indicar la temperatura a la cual comienzan a fundirse cada una de las diferentes fases. TIPOS DE DIAGRAMA DE FASE: DE UNA SUSTANCIA PURA: Tienen un solo componente y presentan líneas que dividen las fases solidas, liquidas y vapor.
Determinar el número de grados de libertad en los puntos A, B, C: Punto A: c: 1 (magnesio) p: 1 (liquido) f: c p + 2 = 1 1 + 2 = 2 Punto B: c: 1 (magnesio) p: 2 (solido y liquido) f: c p + 2 = 1 2 + 2 = 1 Punto C: Punto triple (solido, liquido, vapor) c: 1 (magnesio) p: 3 (solido, liquido y gaseoso) f: c p + 2 = 1 3 + 2 = 0 BINARIO ISOMORFO: Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico de la aleación se considera como un componente por separado. En algunos sistemas binarios los dos elementos son completamente solubles entre si tanto en estado solido como liquido. En estos sistemas solo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y por lo tanto se les denomina sistemas isomorfos. En la figura anterior se aprecian tres regiones una llamada liquido, que se encuentra en la parte superior; otra llamada Solución sólida en la parte inferior y entre ellas están presentes las aleaciones en fase solida (las fases olidas generalmente se representan en letras griegas); y una ultima región ubicada en la zona intermedia L + α (liquido y solución solida) es la región bifásica donde coexisten dos fases. REGLA DE LA PALANCA: Se utiliza para determinar la cantidad de cada fase presente en una zona bifásica. Para una zona de dos fases fase 1 y fase 2 %en peso de la fase 1 %en peso de la fase 2 Donde:
% Fase 1 + % Fase 2 = 100 Ejemplo: Para una aleación cobre- Níquel al 53 Ni y a 1300 C Calcule: a.- El % en peso del Níquel y del Cobre en la fase liquida b.- El % en peso del Níquel y del Cobre en la fase solida c.- El % en peso de liquido y d.- El % en peso de solido Solución: a.- Liquido 45% Ni y 100% Cu b.- Solido 58% Ni y 100% Cu C.- Las fases presentes a 53 Ni y a 1300 C son liquido y solido; si se considera como componente de referencia el níquel: Wo: 53%; Wliquido: 45%; Wsolido: 58% d.- % L+ % S = 100 %S = 100 38,46 = 61,54 % DIAGRAMA DE FASE BINARIO CON REACCIONES DE 3 FASES: Diagramas de dos componentes presentan reacciones que implican tres fases independientes, existen cinco reacciones de tres fases de mayor importancia en los diagramas binarios y son: eutéctica, peritéctica, monotéctica, eutectoide y peritectoide.
TIPOS DE REACCIONES DE TRES FASES. DIAGRMA DE FASE EUTÉCTICO. Una reacción eutéctica en un diagrama de fase binario es la transformación de toda la fase liquida (por enfriamiento) en dos fases solidas isotérmicamente, la temperatura eutéctica es la temperatura a la cual tiene lugar esta reacción. Este tipo de reacción corresponde a un punto fijo en el diagrama de fases, es decir, ocurre a una temperatura y composición determinada, y dicho punto posee cero grados de libertad. En el caso particular de la aleación Pb-Sn, podemos ver en la figura que dicho punto eutéctico ocurre para una temperatura T=183ºC y para una composición del sistema de 61.9% de Sn. La reacción eutéctica se le llama reacción invariante porque tiene lugar en condiciones de equilibrio a temperatura determinada.
DIAGRMA DE FASE PERITÉCTICO: Esta reacción suele estar presente comúnmente en los diagramas binarios de equilibrio mas complicados, particularmente si los puntos de fusión de los dos componentes son muy diferentes. En la reacción peritéctica una fase liquida reacciona con una fase solida para formar otra fase solida nueva y diferente. DIAGRAMA MONOTECTICO: Otra reacción invariante de tres fases que ocurre en algunos diagramas de fases binarios es la reacción monotéctica, donde una fase liquida se transforma en una fase solida y en otra liquida.
REACCIÓN EUTECTOIDE Y PERITECTOIDE: La reacción eutéctica y la eutectoide se asemejan en que se forman dos fases a partir de una durante el enfriamiento, sin embargo en la eutectoide la fase en descomposición es solida mientras que en la eutéctica es liquida; en la peritectoide dos fases solidas reaccionan para formar una nueva fase solida, mientras que en la peritéctica una fase solida reacciona con una liquida para producir una nueva fase solida. TIPOS DE FASES: FASES TERMINALES: se presentan en los extremos de los diagramas tocando los componentes puros. FASES INTERMEDIAS: En los diagramas de fases a veces existen fases intermedias, las cuales se encuentran separadas de otras fases por regiones bifásicas en los diagramas binarios. Existen dos tipos: las fases intermedias estequiometricas y las no estequiometricas. Las estequiometricas tienen una composición fija y están representados en los diagramas por una línea vertical. Las no estequiometricas, tienen rango de composición y están representados por una zona en los diagramas de fase.
DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBONO: En el diagrama de fases Fe-Fe 3 C de la figura 10.6 se muestran las fases presentes en las aleaciones hierro-carbona enfriadas muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de hierro con porcentajes de carbono de hasta el 6,7 %, en ciertas condiciones el Fe 3 C que se llama cementita puede descomponerse en las fases mas estables del hierro y el carbono (grafito)
TIPOS DE FASES Y CONSTITUYENTES PRESENTES EN LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO: Ejercicios Resueltos: Problema 1: Solución: a.- fases: α y β; composición: 19,2% Sn en alfa y 97,5%Sn en beta % β = 100% - 45,5% = 54,5% b.- fases: Liquido y α; composición: 84% Sn en liquido y 15%Sn alfa % alfa = 100% - 75,75% = 24,24% Problema 2: En el diagrama de fase Pb-Sn (figura 8.11) determine: a.- Solubilidad máxima de Sn en α a 100 C. b.- Solubilidad máxima de Sn en α a cualquier temperatura (indique la temperatura). C.- La solubilidad máxima de Pb en β a 150 C. d.- La solubilidad máxima de Pb en β a cualquier temperatura (indique la temperatura). e.- % en peso de Sn y de Pb en la fase α a 250 C y 30% en peso de Sn. F.- % en peso de Sn y de Pb en la fase liquida a 250 C y 30% en peso de Sn. g.- que % en peso de la aleación esta en fase liquida a 250 C y 30 C en peso de Sn. h.- que % en peso de la aleación esta en fase solida a 250 C y 30 C en peso de Sn. i.- A 300 C y 60% en peso de Sn que % en peso de la aleación esta en fase α. J.- % en peso de Pb en la fase α a 200 C y 10% en peso de Sn. k.- % en peso de Pb en la fase α a 250 C y 70% en peso de Sn. Solución: a.- 5%; b.- 19,2% a 183 C; c.- 2%; d.- 2,5% a 183 C; e.- 13% de Sn y 87% de Pb; f.- 40% Sn y 60% Pb; g.- 62,96%; h.- 37,04%; i.- 0%; j.- 90%; k.- 0%.
Problema 3: El cobre y el níquel son completamente solubles tanto en estado líquido como en estado solido. El punto de fusión del cobre es de 1084 C y el del níquel es de 1455 C. Una aleación que contiene 45% de níquel comienza a solidificar a 1300 C al separar cristales de 58% de níquel. Mientras que una aleación que contiene 70% de níquel empieza a solidificar a 1370 C al separar cristales de 82% de níquel. Dibuje este diagrama de fases. Ejercicios Propuestos: Problema 1: Problema 2: Problema 3: En una aleación de Cu-Ni (figura 8,3) al 25% en peso de níquel y a 1200 C, determine: a) El % en peso de Ni y Cu en fase liquida, b) El % en peso de Ni y Cu en fase sólida, c) El % en peso de la aleación que está en fase liquida, d) El % en peso de la aleación que está en fase sólida. Rep. a) en liq. 22 % Ni y 78 % Cu. b) en sol 32 % Ni y 68 % Cu. c) 70 %. d) 30 %. Problema 4 En una aleación de Cu-Ni (figura 8,3) al 70% en peso de níquel y a 1100 C, determine: a) El % en peso de Ni y Cu en fase liquida, b) El % en peso de Ni y Cu en fase sólida, c) El % en peso de la aleación que está en fase liquida, d) El % en peso de la aleación que está en fase sólida. Resp. a) en liq. O % Ni y O % Cu. b) en sol 70 % Ni y 30 % Cu. c) O %. d) 100 %. Problema 5 En una aleación de Cu-Ni (figura 8,3) al 40% en peso de níquel y a 1250 C, determine: a) El % en peso de Ni y Cu en fase liquida, b) El % en peso de Ni y Cu en fase sólida, c) El % en peso de la aleación que está en fase liquida, d) El % en peso de la aleación que está en fase sólida. Resp. a) en liq. 33 % Ni y 67 % Cu. b) en sol 45 % Ni y 55 % Cu. c) 41,67 %. d) 58,33 %.