CIENCIAS DE LOS MATERIALES I

TEMA 9: DIAGRAMAS DE FASES

ING. JONATHAN SNCHEZ PAREDES 1

a) Comprender la importancia de los diagramas de fase en los materiales.

b) Analizar y diferenciar los diferentes tipos de diagramas de fase en las aleaciones.

c) Utilizar los diagramas de fase para obtencin de datos tcnicos.

OBJETIVOS:

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CONTENIDO: 1. Conceptos usados en metalurgia.

1.1 Tipos de Aleaciones.

2. Diagramas de Fase. 2.1 Solubilidad total en estado slido. 2.2 Diagrama eutctico con insolubilidad total en ES. 2.3 Diagrama eutectoide. 2.4 Diagrama peritctico. 2.5 Diagramas Binarios generales.

3. Evolucin de la microestructura durante el enfriamiento lento.

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1. CONCEPTOS USADOS EN METALURGIA:

Aleacin: Una aleacin es la mezcla de dos o ms elementos, siendo uno de ellos el metal. Arrabio: Hierro lquido con menos impurezas que el hierro inicial. Escoria: Las impurezas que reaccionan con caliza. Alto horno: Horno para hacer aleaciones y fundiciones, se alcanzan temperaturas muy elevadas. Hay que construirlo con materiales refractarios, es decir muy resistentes al calor.

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1.1 TIPOS DE ALEACIONES:

Aleaciones frreas Aceros al carbono y de baja aleacin. Aceros de alta aleacin. Fundiciones. Aleaciones frreas de solidificacin rpida.

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Aleaciones no frreas Cobre y aleaciones de cobre. Nquel y aleaciones base nquel. Aleaciones de cinc, plomo y estao. Metales refractarios. Otros metales.

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Aleaciones ligeras Aluminio y aleaciones de aluminio. Magnesio y aleaciones de magnesio. Titanio y aleaciones de titanio. Berilio.

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2. DIAGRAMAS DE FASE

Para apreciar por completo la naturaleza de las propiedades de los materiales de ingeniera sensibles a la microestructura, debe comenzarse por analizar las distintas formas de evolucin de la microestructura.

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Una herramienta importante para este anlisis es el diagrama de fases, que puede considerarse como un mapa que sirve de gua para encontrar respuesta a la pregunta general: Qu microestructura debera existir a una temperatura dada para un material de composicin tambin dada?

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El anlisis de la evolucin de la microestructura mediante los diagramas de fases se inicia con la regla de las fases, la cual identifica el nmero de fases microscpicas asociadas a una condicin de estado dada, que comprende un conjunto de valores de temperatura, presin y otras variables que describen la naturaleza del material.

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Una fase es una porcin de microestructura homognea desde el punto de vista qumico y estructural. Una microestructura compuesta por una sola fase puede ser policristalina, pero debe cumplirse la condicin de que cada grano cristalino difiera nicamente en la orientacin cristalogrfica y no en la composicin qumica.

Microestructura monofsica correspondiente al molibdeno

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Para ciertas composiciones, el resultado consiste en la formacin de dos fases, cada una de ellas rica en un componente distinto. Un ejemplo clsico es la estructura de la perlita, que est formada por capas alternadas de ferrita y cementita. La ferrita es una solucin slida compuesta de Fe-a con una pequea cantidad de cementita. La cementita es Fe3C casi puro. Los componentes son, por lo tanto, Fe y Fe3C.

Microestructura con dos fases correspondiente a la perlita en un acero con 0.8 por ciento en peso de C. 13

Las variables de estado importantes sobre las cuales el ingeniero tiene control para establecer una determinada microestructura son la temperatura, presin y composicin. La relacin general existente entre la microestructura y estas variables de estado viene dada por la regla de las fases de Gibbs, que, sin deduccin, se expresa como:

F = C P + 2

Donde F es el nmero de grados de libertad, C es el nmero de componentes y P el nmero de fases. 14

En el caso del metal puro en su punto de fusin, C = 1 y P= 2 (slido + lquido), por lo que F = 1 2 + 1 = 0.

Para la mayor parte de los procesos habituales de los materiales relacionados con sistemas condensados, el efecto de la presin no es importante. En este caso, la regla de las fases puede escribirse de nuevo reflejando un grado de libertad menos:

F = C P + 1

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Un diagrama de fases es cualquier representacin grfica de las variables de estado asociadas con las microestructuras a travs de la regla de las fases de Gibbs. En la prctica, los diagramas de fases de uso comn entre los ingenieros de materiales son los diagramas binarios, que representan sistemas de dos componentes (C = 2 en la regla de las fases de Gibbs), y los diagramas ternarios, que representan sistemas de tres componentes (C = 3).

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2.1 SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SLIDO

Probablemente el tipo de diagramas de fases ms sencillo es el correspondiente a aquellos diagramas binarios en los que los dos componentes son completamente solubles entre s (solubilidad total), tanto en estado slido como en estado lquido.

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Ntese que en este diagrama la temperatura aparece en el eje vertical y la composicin en el eje horizontal. Se indican los puntos de fusin correspondientes a los dos componentes puros A y B. Para temperaturas relativamente altas, cualquier composicin habr fundido completamente para dar lugar a un campo de fase lquida.

Diagrama de fases binario que muestra el caso de solubilidad total en estado slido. El campo de fase liquida se identifica mediante una L y la solucin slida se designa mediante SS. Ntese que la regin de coexistencia de dos fases est referenciada por L + SS.

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El uso ms amplio de los diagramas de fases en ingeniera de materiales es, con diferencia, es el de los materiales inorgnicos, en las industrias metlicas y cermicas.

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Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono son: FERRITA (Hierro ) Es una solucin slida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la mxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 C.

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CEMENTITA Es el carburo de hierro de frmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente ms duro y frgil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortormbica. PERLITA Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformacin isotrmica de la austenita en el rango de 650 a 723C. 25

AUSTENITA Es el constituyente ms denso de los aceros y est formado por una solucin slida por insercin de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, vara de 0.8 al 2 % C que es la mxima solubilidad a la temperatura de 1130 C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-nquel denominados austenticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.

La austenita est formada por cristales cbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la traccin de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magntica. 26

MARTENSITA Es el constituyente de los aceros templados, est conformado por una solucin slida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rpido de los aceros desde su estado austentico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades fsicas varan con su contenido en carbono hasta un mximo de 0.7 %C. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc.

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TROOSTITA Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crtica de temple o por transformacin isotrmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600C, o por revenido a 400C. Sus propiedades fsicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell.

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SORBITA Es tambin un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crtica de temple o por transformacin isotrmica de la austenita en la zona de 600 a 650C, o por revenido a la temperatura de 600C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la traccin es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10 al 20%.

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BAINITA Es el constituyente que se obtiene en la transformacin isotrmica de la austenita cuando la temperatura del bao de enfriamiento es de 250 a 500C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580C, compuesta por una matriz ferrtica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita. 30

En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con un nmero convencional n, de acuerdo con la formula:

logG=(n-1)log2

Donde G es el nmero de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100 aumentos; este mtodo se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el nmero de tamao de grano de uno a ocho.

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Eutctico Es una mezcla de dos componentes con punto de fusin (solidificacin) o punto de vaporizacin (licuefaccin) mnimo, inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en estado puro. Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en estado lquido, cuyos componentes son insolubles en estado slido

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2.2 DIAGRAMA EUTCTICO CON INSOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SLIDO

Hay varios detalles que distinguen este diagrama del que caracteriza a un sistema con solubilidad total en estado slido. En primer lugar, a temperaturas relativamente bajas existe una zona de coexistencia de dos fases para los slidos puros A y B, lo que resulta consecuente con la observacin realizada acerca de la inmiscibilidad de los dos componentes del sistema (A y B). En segundo lugar, el slidus es una lnea horizontal que se corresponde con la temperatura eutctica.

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DIAGRAMA EUTCTICO CON SOLUBILIDAD PARCIAL EN ESTADO SLIDO

En el caso de muchos sistemas binarios, los dos componentes son parcialmente solubles entre s. El resultado es un diagrama de fases intermedio.

Figura: Diagrama eutctico binario con solubilidad parcial en estado slido. La nica diferencia respecto a las figuras anteriores es la presencia de las zonas de solucin slida y .

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Figura: Diagrama de fases Al-Si.

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2.3 DIAGRAMA EUTECTOIDE

La transformacin durante el enfriamiento de un lquido con la composicin eutctica en dos fases slidas con una microestructura caracterizada por un tamao de grano relativamente fino puede ser considerada como un tipo especial de reaccin qumica. La reaccin eutctica se puede escribir como:

Donde eutectoide significa similar a la eutctica.

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Diagrama de fases Fe-Fe3C. Ntese que el eje de composicin se da en porcentaje en peso de C, incluso a pesar de que el componente es el Fe3C, y no el carbono.

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2.4 DIAGRAMA PERITCTICO

Hasta el momento se ha visto que los componentes puros presentaban temperaturas de fusin bien diferenciadas. En algunos sistemas, sin embargo, los componentes forman compuestos estables que pueden tener una temperatura de fusin no tan clara.

Diagrama de fases peritctico que muestra una reaccin peritctica. Por simplificar, no se muestra ninguna solucin slida.

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Diagrama de fases Fe-C. La parte izquierda de este diagrama es casi idntica a la parte izquierda del diagrama Fe-Fe3C. En este caso, sin embargo, no existe el compuesto intermedio Fe3C.

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2.5 DIAGRAMAS BINARIOS GENERALES

En realidad, la formacin de compuestos intermedios resulta bastante frecuente, no estando este fenmeno asociado nicamente a la reaccin peritctica, no se tiene en cuenta la posibilidad de que exista solubilidad en estado slido. Una caracterstica importante de este sistema es que es equivalente a dos diagramas eutcticos binarios adyacentes del mismo tipo.

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La aproximacin al anlisis de estos sistemas ms complejos es sencilla: consiste simplemente en considerar el sistema binario ms pequeo asociado con la composicin total que se pretende estudiar y prescindir del resto.

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(a) Diagrama de fases de relativa complejidad, (b) Para una composicin total situada entre AB2 y AB4 slo se necesita este sistema binario para analizar la microestructura.

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Diagrama de fases Mg0-Al203. La espinela es un compuesto intermedio con estequiometra ideal Mg0 AI203.

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REGLA DE PALANCA Las cantidades relativas de las dos fases en la microestructura se calculan sencillamente mediante un equilibrio de masas.

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3. EVOLUCIN DE LA MICROESTRUCTURA DURANTE EL ENFRIAMIENTO LENTO

Se supondr el enfriamiento de una composicin dada desde la zona correspondiente a una nica fase lquida. La microestructura evolucionar, por tanto, a lo largo del proceso de solidificacin. Se considera nicamente el caso de enfriamiento lento, esto es, aquel en el que se consigue mantener la situacin de equilibrio en todo instante.

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Considrese de nuevo el diagrama binario ms sencillo, esto es, aqul en que existe solubilidad total tanto en la fase lquida como en la fase slida.

Evolucin de la microestructura durante el enfriamiento lento de una composicin 50 por ciento A-50 por ciento B en un diagrama de fases con solubilidad total en estado slido. Para cada valor de temperatura, las cantidades de cada una de las fases de la microestructura se corresponden con un clculo mediante la regla de la palanca.

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Evolucin de la microestructura durante el enfriamiento lento de una composicin hipereutctica. 55

Fuentes: Internet Wikipedia. Introduccin a la ciencia e ingeniera de materiales

Shackelford. Fundamentos de ciencia en ingeniera de materiales W.

Smith Ciencia e Ingeniera de los amteriales Askeland 6Ed.

GRACIAS POR SU ATENCIN

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Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26Nmero de diapositiva 27Nmero de diapositiva 28Nmero de diapositiva 29Nmero de diapositiva 30Nmero de diapositiva 31Nmero de diapositiva 32Nmero de diapositiva 33Nmero de diapositiva 34Nmero de diapositiva 35Nmero de diapositiva 36Nmero de diapositiva 37Nmero de diapositiva 38Nmero de diapositiva 39Nmero de diapositiva 40Nmero de diapositiva 41Nmero de diapositiva 42Nmero de diapositiva 43Nmero de diapositiva 44Nmero de diapositiva 45Nmero de diapositiva 46Nmero de diapositiva 47Nmero de diapositiva 48Nmero de diapositiva 49Nmero de diapositiva 50Nmero de diapositiva 51Nmero de diapositiva 52Nmero de diapositiva 53Nmero de diapositiva 54Nmero de diapositiva 55Nmero de diapositiva 56