Diagramas de fase en aleaciones metálicas Sólidos Inorgánicos Diagramas de fase de sustancias puras 8000 Hielo VI 6000 Presión/atm Hielo V 0 2000 2 Hielo II Hielo III íquido Temperatura/ C 2000 1500 500 Vapor γfe Fe íquido δfe 1 Hielo I Vapor 10-12 10-8 10-4 1 10 4 Presión/atm 200 300 500 600 700 Temperatura/K Agua Hierro Definiciones para recordar Fase. Porción homogénea de un sistema caracterizado por una estructura y una organización atómica constante. Posee características físicas y químicas constantes. Número de componentes (C). Número mínimo de especies químicas necesarias para determinar la composición de las fases. Grados de libertad ().En un sistema en equilibrio, es el número de variables intensivas (P, T, [ ]) que se pueden modificar en un amplio intervalo sin producir la aparición de nuevas fases o la desaparición de las existentes. Equilibrio de fases.situación de equilibrio termodinámico correspondiente a un sistema que contiene más de una fase. 1
Definiciones para recordar Solución sólida. Fase resultante formada por disolución de un metal en un segundo elemento metálico. Solvente Soluto Solución sólida sustitucional Solución sólida intersticial ímite de solubilidad. Concentración máxima de átomos de soluto que se dispersan en el solvente a una temperatura determinada. Regla de las fases de Gibbs número de fases coexistiendo en el equilibrio F + = C + N número de variables no composicionales número de grados de libertad número de componentes Caso particular de aleaciones, N = 1 F + = C + 1 1500 íquido () 1 ínea liquidus 1300 1 + Sólido () ínea solidus Cu 20 40 60 80 Ni % Ni 2
Condiciones de solubilidad ilimitada (Hume-Rothery) os átomos de los constituyentes deben ser de tamaño similar. os metales deben tener la misma estructura cristalina. os metales deben tener idéntica valencia y similar electronegatividad. Construcción experimental del diagrama T m1 Cu T m2 Temperatura T i Tf 50:50 Temperatura T i T f T m2 Tiempo Ni T m1 0 50 % Cu Determinación de la proporción y composición de las fases 1300 ínea de reparto R B S + Regla de la palanca W = W = S R + S R R + S 20 C C 0 C %Ni 3
Determinación de la proporción y composición de las fases 1500 1 1300 37 32 50 45 + 1270 1250 1 Cu 20 40 60 80 Ni % Ni Desarrollo de microestructuras 1300 + 20 30 40 50 %Ni Endurecimiento por solución sólida 11.6 Resistencia a la tracción 8.7 5.8 2.9 Cu 20 40 60 80 Ni % Ni 4
Endurecimiento por dispersión o precipitación Sistema de dos componentes que no cumplen las condiciones para una solubilidad ilimitada, formándose 2 fases sólidas. Caso 1. Una fase en mayor proporción (matriz) y una en menor proporción (precipitado). Endurecimiento por dispersión Caso 2. Dos fases en mezcla íntima (microconstituyente). Condiciones que favorecen el endurecimiento por dispersión: 1. Matriz blanda y dúctil y precipitado duro y frágil. 2. Matriz continua y precipitado discontinuo. 3. Alta cantidad de precipitado, en partículas pequeñas y con geometría esférica. Reacciones de tres fases Eutéctica + + Peritéctica + + Temperatura 1 Monotéctica 1 + 2 2 + 2 Composición Reacciones de tres fases Eutectoide γ + γ + Peritectoide + γ + γ Temperatura Composición 5
Sistemas eutécticos binarios ínea liquidus ínea solidus ínea liquidus ínea solvus + 800 + 600 + Cu 20 40 60 80 Ag % Ag ínea solidus ínea solvus Sistemas eutécticos binarios Isoterma eutéctica Punto invariante 71.9 % Ag 780 C 800 600 + + + C E aleación eutéctica Cu 20 40 60 80 Ag % Ag Desarrollo de microestructuras en aleaciones eutécticas 300 + 200 + + Pb 20 40 60 80 Sn % Sn (1) Aleación eutéctica 6
Desarrollo de microestructuras en aleaciones eutécticas 300 200 + + + Pb 20 40 60 80 Sn % Sn (2) Aleación hipoeutéctica Desarrollo de microestructuras en aleaciones eutécticas 300 200 + + + Pb 20 40 60 80 Sn (4) Fase % Sn (3) Aleación hipereutéctica Endurecimiento en aleaciones eutécticas Resistencia a la tracción/mpa 1.01 0.72 0.43 0.14 Endurecimiento por solución sólida Hipoeutéctico Endurecimiento por dispersión de la fase Incremento del eutéctico Hipereutéctico Pb 20 40 60 80 Sn % Sn 7
Diagramas de fases Mg-Ni Temperatura/ C 1500 1 700 300 + íquido + Mg 2 Ni + Mg 2 Ni + MgNi 2 Mg 2 Ni+ MgNi 2 + MgNi 2 + Mg 20 40 60 80 Ni % Ni Diagramas de fase ternarios A 80 60 Porcentaje en peso de B 40 20 80 60 Porcentaje en peso de A 40 20 20 40 60 80 B C Porcentaje en peso de C Diagramas de fase ternarios Cr 80 60 Porcentaje en peso de Fe 40 + σ 20 γ+ 80 60 Porcentaje en peso de Cr 40 20 γ+ 20 40 60 80 Fe Ni Porcentaje en peso de Ni 8