9 Diagramas de Fase

7/24/2019 9 Diagramas de Fase

1/46

DIAGRAMASDE FASE


2/46

Como las propiedades de un material dependen ampliamentedel tipo, nmero, cantidad y forma de las fases presentes, y

pueden cambiarse alterando estas cantidades, es esencialconocer:

a !as condiciones ba"o las cuales e#isten estas fasesb !as condiciones ba"o las cuales ocurrir$ un cambio en la

fase

!a me"or manera de re%istrar los datos es por medio dediagramas de fase, tambi&n conocidos como diagramas deequilibrio o constitucionales.

'ariables :

-. (emperatura-. )resi*n +se supone constante con alor atmosf&rico--. Composici*n

El dia%rama es, esencialmente, una representaci*n %r$.ca de

un sistema de aleaci*n


3/46

Idealmente, el dia%rama de fase deber$ mostrar las relaciones entrelas fases ba"o condiciones de e/uilibrio, o sea, ba"o condiciones enlas cuales no 0abr$ cambio con el tiempo !as condiciones de

e/uilibrio pueden ser apro#imadas por medio de calentamiento yenfriamiento e#tremadamente lentos, de modo /ue se de"esu.ciente tiempo si un cambio de fase est$ por ocurrir

1o se estudiar$n todas las condiciones posibles de e/uilibrio entrefases en aleaciones binarias, sino s*lo las m$s importantes, las

cuales pueden clasi.carse como si%ue:

2 Componentes completamente solubles en estado l3/uido:

a Completamente solubles en estado s*lido + tipo I-b Insolubles en estado s*lido: la reacci*n eut&ctica +tipo II-c )arcialmente solubles en estado s*lido: !a reacci*n eut&ctica

+tipo III-d Formaci*n de una fase intermedia de fusi*n con%ruente +tipo I'-e !a reacci*n perit&ctica +tipo '-


4/46

4 Componentes parcialmente solubles en estado l3/uido: la reacci*nmonot&ctica +tipo 'I-

5 Componentes insolubles en estado l3/uido e insolubles en estados*lido + tipo 'II-6 (ransformaciones en estado s*lido:

a Cambio alotr*picob 7rden8desorden

c !a reacci*n eutectoided !a reacci*n peritectoide


5/46

Coordenadas de los diagramas de fase

)or lo %eneral los dia%ramas de fase se %ra.can con la temperatura+en %rados cent3%rados o Fa0ren0eit-, como la ordenada y lacomposici*n de la aleaci*n +como porcenta"e en peso-, como laabscisa

Mtodos experimentales

!os datos para construir dia%ramas de e/uilibrio se determinane#perimentalmente por diersos m&todos, entre los cuales los m$scomunes son:

Anlisis trmicos: 9ste es el m&todo e#perimental /ue mas seemplea Cuando se 0ace un dia%rama de temperatura contra

tiempo, a composici*n constante, la cura de enfriamientoresultante mostrar$ un cambio en pendiente cuando ocurre uncambio de fase a causa de la eoluci*n de calor por el cambio defase 9ste m&todo parece ser el me"or para determinar latemperatura de solidi.caci*n inicial y .nal !os cambios /ue ocurrens*lo en el estado s*lido, %eneralmente comprenden pe/ueos

cambios de calor, y otros m&todos dan resultados m$s e#actos


6/46


7/46


8/46

Mtodos metalogrcos: 9stos consisten en calentar las

muestras de una aleaci*n a diferentes temperaturas, esperando/ue el e/uilibrio se estable;ca, y entonces se enfr3an r$pidamentepara retener su estructura de alta temperatura Entonces lasmuestras se anali;an en el microscopio

Es dif3cil aplicar este m&todo a metales a altas temperaturas, ya

/ue las muestras enfriadas r$pidamente no siempre retienen suestructura de alta temperatura, y entonces se re/uiere %ran0abilidad para interpretar en forma correcta la microestructuraobserada 9ste m&todo es el m$s adecuado para eri.car undia%rama


9/46

Tipo I Dos metales completamente solubles en los estadosluido ! s"lido

El nico tipo de fase s*lida formada ser$ una soluci*n s*lidasustitucional !os dos metales tendr$n %eneralmente el mismo tipode estructura cristalina y diferir$n en sus radios at*micos en menosdel , ariandoen composici*n del 2??= de A y ?= de > 0asta ?= de A y 2??= de>, se muestra en la .%ura @2 Cada cura de enfriamiento tiene suspropias coordenadas En otras palabras, cada cura de enfriamientoes un e#perimento separado /ue se inicia desde el tiempo cero

)ara una aleaci*n /ue contiene


10/46


11/46

El sentido del dia%rama de fase, o al%una idea de su forma, puedeobtenerse al dibu"ar una l3nea /ue incule todos los puntos /uemuestra el principio de la solidi.caci*n +la l3nea de puntos superior de

la .%ura @2- y otra l3nea /ue una todos los puntos /ue muestran el.nal de la solidi.caci*n +la l3nea punteada inferior de la .%ura @2-

A0ora es posible determinar el dia%rama de fase real con una %r$.cade la temperatura contra la composici*n

- !os puntos apropiados se toman de la serie de curas deenfriamiento y se %ra.can en el nueo dia%rama

- El e"e i;/uierdo representa al metal puro A, se %ra.ca a lo lar%o deesta l3nea

- De manera an$lo%a se %ra.ca - Como todas las composiciones intermedias son porcenta"es de A y

> por simplicidad se omite el si%no =- Se dibu"a una l3nea ertical /ue representa la aleaci*n


12/46


13/46

El dia%rama de fase consta de dos puntos, dos l3neas y tres $reas!os puntos y representan los puntos de con%elaci*n de los dosmetales puros

!a l3nea superior, obtenida al unir los puntos /ue muestran el inicio dela solidi.caci*n, se llama l3nea de liquidus, en tanto /ue la l3neainferior, determinada al unir los puntos /ue muestran el .nal de lasolidi.caci*n, se llama l3nea de solidus. El $rea por arriba de la l3neade lquidus es una re%i*n unifsica, y cual/uier aleaci*n en estare%i*n consistir$ en una solucin lquida homognea Asimismo,el $rea por deba"o de la l3nea de soliduses una re%i*n unifsica, ycual/uier aleaci*n en esta re%i*n constar$ de una solucin slidahomognea.

!a soluci*n s*lida se marca con la letra

!as letras maysculas, como A y >, se usar$n para representar losmetales puros

Entre las l3neas liquidus y solidus e#iste una re%i*n bif$sica

Cual/uier aleaci*n en esta re%i*n contar$ de una me;cla de unasoluci*n l3/uida y de una s*lida


14/46


15/46

Especi.car la temperatura y la composici*n de una aleaci*n en un$rea de dos fases indica /ue la aleaci*n consta de una me;cla dedos fases, pero no da nin%una informaci*n referente a estame;cla Al%unas eces es deseable conocer la composici*n/u3mica real y las cantidades relatiasde las dos fases presentes)ara determinar esta informaci*n, es necesario aplicar dosreglas:

#egla I: composici"n umica de las fases: )ara determinar lacomposici*n /u3mica real de las fases de una aleaci*n, ene/uilibrio a cual/uier temperatura espec3.ca en una re%i*nbif$sica, se debe tra;ar una l3nea 0ori;ontal para la temperatura,llamada lnea vnculo, a las fronteras del campo 9stos puntos de

intersecci*n se abaten a la l3nea base y la composici*n se leedirectamente


16/46

$%emplo: Considerese unaaleaci*n constituida por


17/46

#egla II: cantidades relati&as de cada fase: Se debe tra;aruna l3nea ertical /ue representa la aleaci*n y una l3nea 0ori;ontal+como la temperatura-, a los l3mites del campo !a l3nea ertical

diidir$ a la 0ori;ontal en dos partes cuyas lon%itudes soninersamente proporcionales a la cantidad de las fases presentesEsta tambi&n se conoce como la regla de la palanca. El puntodonde la l3nea ertical intersecta a la 0ori;ontal se considerar$como el fulcro, o e"e de oscilaci*n de un sistema de palanca !aslon%itudes relatias de los bra;os de la palanca multiplicadas por

las cantidades de las fases presentes deben balancearse

En la .%ura @5 la l3nea ertical, /ue representa la aleaci*n 4? >,diide la l3nea de inculaci*n 0ori;ontal en dos partes: mny no. Sise toma toda la lon%itud de la lnea de vinculacion mo pararepresentar al 2??= el peso total de las dos fases presentes atemperatura T, la re%la de la palanca puede e#presarsematem$ticamente como:


18/46

!3/uido +porcenta"e-

+porcenta"e-

Si la l3nea 3nculo se elimina deldia%rama de fase y se insertanlos alores num&ricos, &staaparecera como se muestra en la

.%ura @6 Al aplicar lasecuaciones mencionadas en elp$rrafo anterior, se tiene:


19/46

!3/uido +porcenta"e-

+porcenta"e-


20/46

)ara resumir ambas re%las, la aleaci*n de composici*n


21/46


22/46

Tipo II: Dos metales completamente solubles en el estadoluido ! completamente insolubles en el estado s"lido:

Desde el punto de ista t&cnico, dos metales no pueden sercompletamente insolubles entre s3 sin embar%o, en al%unoscasos, la solubilidad es tan restrin%ida /ue para prop*sitospr$cticos podr3an considerarse como insolubles

!as curas de enfriamiento para los metales puros A y >

muestran una l3nea 0ori;ontal nica en sus puntos decon%elaci*n A medida /ue se a%re%a >a A, la temperaturaparael comien;o de la solidi.caci*n disminuye A medida /ue sea%re%a A a >, la temperatura para el comien;o de lasolidi.caci*n para a/uellas aleaciones tambi&n disminuyeComo cada metal disminuye el punto de con%elaci*n de otro, la

l3nea /ue une los puntos /ue indican el comien;o de lasolidi.caci*n +la l3nea de liquidus- debe mostrar un m3nimo+l3nea punteada en la .% @2- Se obsera un m3nimo en elpunto E, conocido como punto eut&ctico, para una composici*n6? A B @? >

es la temperatura eut&ctica


23/46


24/46

En una aleaci*n, la composici*n eut&ctica 6? A B @? >ocurre a unasola temperatura eut&ctica

El s*lido /ue resulta est$ constituido por dos fases

!os puntos de fusi*n de los dos metales puros, M y 1, se dibu"ansobre las l3neas erticales /ue representan los metales puros )arauna aleaci*n con


25/46


26/46

Este dia%rama de fase est$ formado por cuatro $reas El $reaarriba de la l3nea liquidus es una soluci*n l3/uida 0omo%&nea deuna sola fase, ya /ue los dos metales son solubles en el estado

l3/uido

)ara de terminar las fases /ue e#isten en el $rea de dos fasesMFE, se tra;a una l3nea de uni*n 0ori;ontal 7!, la cual intersectala liquidus en !, lo /ue si%ni.ca /ue el l3/uido es una de las fases/ue e#isten en el $rea de dos fasese intersecta al e"e i;/uierdo

en el punto 7 El e"e i;/uierdo representa una sola fase, el metalpuro A, el cual es s*lido por deba"o de su punto de fusi*n )ortanto, las dos fases ue existen en el rea M'$ son luido! solido A(

El mismo ra;onamiento se aplica para determinar las dos fases

/ue e#isten en el $rea 1EG, mismas /ue son l3/uido y > s*lido

Cuando cada aleaci"n est completamente solidicada)debe ser una me*cla de los dos metales puros(


27/46

+ipoeutcticas: Son las aleaciones a la i;/uierda de lacomposici*n eut&ctica

+ipereutcticas: Son las aleaciones a la derec0a de la composici*neut&ctica

Aleaci*n 2:

Es la composici*n eut&ctica 6? A B @? > A medida /ue se enfr3a

desde , permanece una soluci*n l3/uida uniforme 0asta el punto EComo &sta es la intersecci*n de la l3neas liquidus y solidus, ell3/uido debe a0ora empe;ar a solidi.carse y la temperatura nopodr$ descender 0asta /ue la aleaci*n est& completamente s*lidaEl l3/uido se solidi.car$ en una me;cla de dos fases: el metal puro Ay el metal puro >

El cambio de este l3/uido de composici*n E en dos s*lidos atemperatura constante se conoce como reacci*n eut&ctica y sepuede escribir como:


28/46


29/46


30/46

Aleaci*n 4:

Hna aleaci*n 0ipoeut&ctica constituida por


31/46

Cuando la aleaci*n alcan;a , la l3nea eut&ctica, el l3/uido est$ en elpunto E !as condiciones e#istentes una fracci*n de %rado arriba deson:

!a microestructura aparecer3a como en la .% @,2b El !3/uidoremanente +55=-, una e; /ue 0a alcan;ado el punto eut&ctico,a0ora solidi.ca en la .na e 3ntima me;cla A y >

Cuando se solidi./ue, la aleaci*n constar$ de @ = de %ranos de Aprimaria o A proeut&ctica +la cual se form* entre y o antes de lareacci*n eut&ctica- y 55 = de me;cla eut&ctica +A J >-+Fi% @,2c-


32/46


33/46

Aleaci*n 5:

Hna aleaci*n 0ipereut&ctica constituida por 2? A B ? >, sufre elmismo proceso de enfriamiento /ue la aleaci*n 4, e#cepto /uecuando se alcan;a la l3nea de liquidus, el l3/uido deposita cristalesde > puro en e; /ue de A

Conforme la temperatura decrece, > ser$ cada e; m$s s*lida,de"ando el li/uido m$s rico en A !a cantidad de l3/uido%radualmente decrece y su composici*n se muee en forma %radual0acia aba"o y a la i;/uierda alo lar%o de la l3nea liquidus0asta /ueel punto E se alcan;a a la temperatura eut&ctica

El l3/uido remanente a0ora solidi.ca en la me;cla eut&ctica +A J >--Despu&s de la solidi.caci*n, la aleaci*n constar$ de = %ranos de

> primaria o > proeut&ctica y 4= de la me;cla eut&ctica + A J >-El $rea deba"o de la l3nea de solidus y a la i;/uierda de lacomposici*n eut&ctica se marca como A s*lida J me;cla eut&ctica en tanto /ue la de la derec0a se indica como > solida J me;claeut&ctica +.% @2-


34/46


35/46


36/46

Tipo III: Dos metales completamente solubles en estado

luido) pero s"lo parcialmente solubles en el estados"lido:

Como la mayor3a de los metales muestran al%una solubilidad unocon otro en el estado s*lido, este tipo es el m$s comn y, portanto, el mas importante sistema de aleaci*n

!a l3nea de liquiduses y la l3nea de soliduses !as $reas defase nica deben marcarse primero )or encima de la l3nea deliquidus0ay s*lo una soluci*n l3/uida de una fase nica


37/46

En los puntos de fusi*n, donde se intersectan las l3neasli/uidus y solidus, el dia%rama es seme"ante a uno en formade puro tipo I +solubilidad s*lida completa-, y como estosmetales son solubles parcialmente en el estado s*lido, debeformarse una soluci*n s*lida En las aleaciones en estesistema, los cristales de A puro o de > puro nunca solidi.can,sino /ue siempre solidi.can una aleaci*n o una me;cla desoluciones

Se marcan las $reas de fase nica +alfa- y de la soluci*ns*lida K +beta- Se conocen como soluciones s*lidasterminales

Se marcan las $reas restantes como l3/uido J , l3/uido J K

y J K


38/46


39/46

En , la soluci*n s*lida disuele un m$#imo de 4?= de >, como se

muestra en el punto F, yla soluci*n s*lida K un m$#imo de 2?= deAcomo se e en el punto G

Con la disminuci*n de la temperatura, la cantidad m$#ima de soluto/ue puede disolerse disminuye, como lo indican las l3neas FL y G,las cuales se llaman l3neas solvus e indican la solubilidad m$#ima

+soluci*n saturada- de >en A+soluci*n - o de Aen >+soluci*n K-como funci*n de la temperatura

Aleaci"n ,

Constituida por A B >, cuando se enfr3a lentamente si%ue un

proceso e#actamente i%ualal de cual/uier aleaci*n tipo I


40/46


41/46

Aleaci"n -

5? A B ? >, es la composici*n eut&ctica y permanece l3/uida0asta

/ue la temperatura eut&ctica se al alcan;a en el punto E Como estaes tambi&n la l3nea solidus, el l3/uido sufre a0ora la reacci*neut&ctica, a temperatura constante, formando una me;cla muy .nade dos s*lidos !os s*lidos /ue forman la me;cla eut&ctica est$ndados por los e#tremos de la l3nea de temperatura eut&ctica decomposici*n F y K de composici*n G !a reacci*n eut&ctica puede

escribirse como:

Reacci*n parecida al dia%rama tipo II, e#cepto por lasustituci*n de soluciones s*lidas por metales puros


42/46


43/46

!as cantidades relatias de y K en la me;cla eut&ctica puedendeterminarse mediante la re%la II:

!as cantidades relatias de y K a temperatura ambiente son:


44/46

Aleaci"n .

@? A B 6? >, )ermanece l3/uida 0asta /ue la l3nea li/uidus se alcan;a

en El l3/uido empie;a a solidi.car cristales de soluci*n s*lida primaria o proeut&ctica muy rica en A A medida /ue la temperaturadisminuye, el l3/uido se 0ace m$s rico en >, moi&ndose%radualmente 0acia aba"o y a la derec0a a lo lar%o de la l3nealiquidus 0asta /ue alcan;a el punto E

Al e#aminar las condiciones /ue e#isten arriba de la temperaturaeut&ctica se e /ue 0ay dos fases :


45/46


46/46

9 Diagramas de Fase

Documents

Transcript of 9 Diagramas de Fase