Transcript of Diagrama FE.C
Diapositiva 1UNIDAD 5
En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan
aleaciones.
Aleación
Monofásica
Polifásica
La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el
material.
Tiene en general la misma composición y propiedades en su
interior.
Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras
fases circundantes.
Definición de Fase
Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que
es físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una
superficie, de tal modo que sea mecánicamente separable de
cualquier otra porción.
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Fase
Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una
región que difiere en estructura y/o composición de otra
región.
agua
Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un
sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y
composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente
información:
Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo
condiciones de equilibrio comienza a solidificar y el rango de
temperatura en el que se presenta la solidificación.
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 sólida, líquida y
vapor, dependiendo de las condiciones de temperatura y
presión.
Diagrama de fases en equilibrio presión -temperatura para el
agua
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Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio
(coexisten) tres fases de un material
Diagrama presión-temperatura carbono
Diagrama de fases en equilibrio
presión – temperatura, hierro puro
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Es importante conocer el comportamiento de un material con la
temperatura. Tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante
el frío invierno, no habían tenido en cuenta que todo su armamento
metálico, iba a sufrir las consecuencias del frío. A -40 ºC, los
aceros pueden contraerse entre 1 - 4%, en función del contenido de
carbono. En otras palabras, pensar en un tubito por donde sale una
bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha encogido 2 ó
3mm…
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- El PTFE , (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta
los 270ºC, sin perder sus propiedades, y en cortos periodos de
tiempo, hasta los 315ºC ¿por qué no más allá? Resulta que a partir
de 325ºC, el PTFE empieza a carbonizarse, y a emitir unos vapores
que son bastante tóxicos.
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- En los aceros, existen una fase de transición, donde el material
cambia su capacidad de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil .
Cuando se recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, se
realizaron los ensayos para determinar la temperatura de transición
del acero utilizado , determinando que era -15 ºC. Así que el
empleo de ese material, la temperatura del agua por donde andaban,
además de otros detalles estructurales como las uniones entre
planchas, provocó 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 sólidas
Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por
ejemplo cuando se agregan elementos aleantes a un metal, se pueden
formar soluciones sólidas o líquidas.
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Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que
están atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase)
y de composición variable (por ser una solución, hay un rango de
solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:
Insolubilidad total
Mezcla: formada por dos o más fases, cuyas características 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 líquidos son totalmente solubles entre sí, las
aleaciones sólidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En
aleaciones Cu y Zn que contienen más de 30% de Zn se forma una
segunda fase por la solubilidad limitada del Zn en el Cu
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Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de
átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una
solución sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
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TIPOS DE SOLUCION SOLIDA
Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas
especies químicas, se dividen en dos tipos:
a) INTERSTICIALES
Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar
espacios abiertos entre átomos adyacentes en la estructura
cristalina se forma una SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL.
b) SUSTITUCIONAL.
Es cuando los átomos del soluto se encuentra en alguno de los
puntos reticulares del solvente, siendo la distribución al
azar.
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Solución sólida sustitucional: los átomos de B ocupan posiciones de
la red A
Solución sólida intersticial: los átomos B ocupan posiciones
intersticiales de la red A
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Soluciones sólidas sustitucionales:
En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto
sustituyen en términos de posición, a los átomos de la
matriz.
Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga
solubilidad sólida ilimitada, deben satisfacerse ciertas
condiciones conocidas como las Reglas de Hume- Rothery:
El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir
en más del 15%,para minimizar la deformación de la red.
Los elementos no deben formar compuestos entre sí. 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 disolución sólida
debe ser la misma
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Ejemplo:
Solución sólida intersticial:
En las soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto se
sitúan en los intersticios que hay entre los átomos del
cristal.
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Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en
cualquier combinación de temperatura y composición de la
aleación.
Se tienen 3 tipos de diagramas:
Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al
estado sólido
Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial
al estado sólido.
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Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
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Temperatura liquidus y solidus
Solidificación de aleaciones
Temperatura liquidus y solidus
La temperatura liquidus o de líquido se define como aquella arriba
de la cual un material es totalmente líquido.
La temperatura solidus o de sólido, es aquella por debajo de la
cual esa aleación es 100% sólida
La diferencia de temperaturas entre la de líquido y la de sólido es
el intervalo de solidificación de la aleación
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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 composición de la
aleación, se pueden determinar las fases que se encuentren
presentes.
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c) Composición de cada fase
Cada fase presente en una aleación tiene una composición, expresada
como el porcentaje de cada elemento en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo una fase en la aleación, la
composición de la fase es igual a la composición general de la
aleación.
Cuando coexisten dos fases, como líquido y sólido, la composición
de ambas difiere de la composición general original.
Usualmente la composición está expresada en porcentaje en
peso.
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c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o isoterma para determinar la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es una línea horizontal en una
región de dos fases, que se traza a la temperatura de
interés.
Los extremos de la isoterma representan la composición de las dos
fases en equilibrio.
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Ejemplo:
Determine la composición de cada fase en una aleación Bi – 50% Sb a
550 ºC, 400 ºC, 350 ºC y 300 ºC
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d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la
aleación
Considere el diagrama de fases del cobre-níquel y la aleación de
composición C0 a 1250°C, donde C y CL representan la concentración
de níquel en el sólido y en el líquido y W y WL las fracciones de
masa de las fases presentes.
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La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos
expresiones de conservación de la masa:
En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de
las fracciones de las fases presentes debe ser la unidad:
En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben
coincidir con la masa total de la aleación
Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la
expresión de la regla de la palanca para esta situación
particular
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En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:
Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos
fases de un diagrama de fases binario.
Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una
fase en una mezcla de dos fases.
Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es
decir, la concentración química 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 aleación de 30% de Ni y determinar su
composición a 1200 ºC.
2. Una aleación compuesta de 2 kg de Cu y 2 kg de Ni se fundió y
posteriormente se enfrió lentamente hasta 1300 ºC. Utilizando el
diagrama de equilibrio Cu-Ni, calcular la concentración y el peso
de las fases presentes a dicha temperatura.
3. En el sistema Cu-Ni, haga el análisis de fase para una aleación
50% de Cu a: 1400 ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.
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Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos
de solidificación:
Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre
según el diagrama de equilibrio de fases.
En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y
por ello se produce una distribución no homogénea del soluto en el
sólido, esto es conocido como segregación.
e) Solidificación de una aleación
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e) Solidificación de una aleación en el equilibrio
Cambio de la estructura de una aleación Cu – 40% Ni durante su
solidificación
Acero de baja aleación
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Solidificación fuera de equilibrio y segregación:
Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos
o a lo más unas pocas horas, por lo cual las condiciones de
equilibrio no se logran. Al solidificar el metal se producen
gradientes de concentración que no logran equilibrarse debido al
insuficiente tiempo del que se dispone, originando pérdidas de
propiedades mecánicas.
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Ejemplo
Para las aleaciones NiO-30% mol MgO, NiO-45% mol MgO y NiO-85% mol
MgO
Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo de
solidificación
Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cada
fase a 2400 ºC
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Ejemplo
Considere una aleación, cuya composición promedio contienen 60% de
antimonio. Comenzando a 550 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 300
ºC, suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determine:
(a) Las fases presentes (b) La composición y cantidad de cada fase
(c) La microestructura
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Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al
estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente
insolubles uno en otro. Sin embargo, en algunos casos la
solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden considerarse
como insolubles.
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El punto de intersección de las líneas liquidus, se denomina punto
eutéctico.
E
La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura
de solidificación del eutéctico
La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce
como composición eutéctica.
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Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente
hasta la temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma
simultáneamente en dos fases sólidas. Esta transformación se conoce
como reacción eutéctica y se escribe:
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Aleación 1: aleación eutéctica
Aleación 3: aleación hipoeutéctica
Aleación 2: aleación hipereutéctica
Sistema Al-CuAl2
Aleación hipereutéctica Fe-C
Ejemplo
Ejemplo
Para las aleaciones As-15% Au, aleación de composición eutéctica y
As-85% Au, Comenzando a 1100 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 500
ºC, suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio,
determinar
(a) las fases presentes
la cantidad de cada fase
la microestructura
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Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente
solubles al estado sólido
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Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la
solubilidad máxima (solución saturada) de B en A (solución ) o de A
en B (solución ) en función de la temperatura.
El punto E, como en el tipo II, es el punto eutéctico
Reacción eutéctica:
a) Aleaciones de solución sólida
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b) Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad
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c) Aleaciones hipoeutécticas
d) Aleación eutéctica
Ejemplos:
1)
2)
Ejemplo
Ejemplo
En una aleación Pb-15% Sn que se solidifica lentamente,
determine:
La composición del primer sólido que se forma
La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el
intervalo de solidificación
Las cantidades y composiciones de cada fase a 260 ºC
Las cantidades y composiciones de cada fase a 183 ºC
Las cantidades y composiciones de cada fase a 184 ºC
Las cantidades y composiciones de cada fase a 182 ºC
Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºC
Repetir de a hasta g para una aleación Pb-70% Sn
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Ejemplo
En una aleación Cu-10% Ag que se solidifica lentamente,
determine:
La composición del primer sólido que se forma
La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el
intervalo de solidificación
Las cantidades y composiciones de cada fase a 1000 ºC
Las cantidades y composiciones de cada fase a 850 ºC
Las cantidades y composiciones de cada fase a 781 ºC
Las cantidades y composiciones de cada fase a 779 ºC
Las cantidades y composición de cada fase a 600 ºC
Repetir de a hasta g para :aleación Cu-30% Ag y Cu-80% Ag
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Ejemplo:
Considere 1 kg de una aleación de moldeo de aluminio con un 10% en
peso de Si.
a) ¿Cuál es la primera fase sólida y cual es su composición?
b) ¿A qué temperatura solidificará completamente la aleación?
c)¿Qué cantidad de fase proeutéctica se encontrará en la
microestructura?
d) ¿Cómo se distribuye el silicio en la microestructura a 576
ºC?
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1WW
L