ALEACIONES BINARIAS -...
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ALEACIONES BINARIAS
Julio Alberto Aguilar Schafer
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ALEACIONES BINARIAS
Homogeneas:
• Solución sólida (SS):
ej. Latones α
• Compuesto químico
definido (CQD):
ej. Cementita (Fe3C)
Heterogeneas:
• SS + SS:
el. Latones α+β
• SS + CQD:
el. Perlita (Fe+Fe3C)
• CQD + CQD:
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fases
a y b) Solubilidad
ilimitada
c) Agua y sal
solubilidad limitada
d) Aceite y agua
prácticamente
insolubles
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a -Phase
a -Phase b -Phase (Mg 17 Al 12 )
b -Phase
Eutectic
(a + b)
Eutectic
alloy AZ91 (MgAl9Zn1), RSCT thixo pre-material
RSCT: microstructure composition
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Análisis de microestructura
A
B
C
a-phase
a-phase
a-phase
b-phase
b-phase
b-phase
Laminar b-phase precipitate
a-phase with laminar b-phase precipitates
microporosities
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Solidificación de un metal puro
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EQUIPO DE LABORATORIO
PARA ANÁLISIS TÉRMICOS
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Estados alotrópicos del Hierro
Fase líquida
(>1539ºC)
Feδ --> (BCC)
Feγ --> (FCC)
Feβ --> (BCC)
Feα --> (BCC)
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Estados alotrópicos
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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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Un diagrama de equilibrio o más
comúnmente llamado diagrama de
fases es un diagrama Temperatura
vs. Composición el cual muestra las
fases presentes en condiciones de
equilibrio.
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Sistemas binarios característicos
• Solubles en estado líquido y en estado sólido
• Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido
• Solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido
• Sistemas que forman compuestos intermetálicos
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Ag Estructura FCC
Temp fusión= 960ºC
R at.= 1.65Å
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Au Estructura FCC
Temp fusión= 1064ºC
R at.= 1.74Å
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940ºC
1064ºC
Ag (pura)
Au (puro) Temp
tiempo
Temp. constante
Ag Estructura FCC
T fusión= 960
R at.= 1.65Å
Au Estructura FCC
T fusión= 1064
R at.= 1.74Å
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940ºC
1064ºC
Ag (pura)
Au (puro)
Ag75Au25
Ag25Au75 Temp
tiempo
Ag Estructura FCC
T fusión= 960
R at.= 1.65Å
Au Estructura FCC
T fusión= 1064
R at.= 1.74Å
Ag50Au50
50% y 50%
(AgAu)
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Curva de enfriamiento de un elemento
puro en función del tiempo T
emp
era
tura
Tiempo
Líquido
Líquido y sólido
Sólido
Cuando
comienza a
solidificar la
temperatura se
mantiene
constante.
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Tiempo
Líquido
Líquido y sólido
Sólido
Te
mp
era
tura
Curva de enfriamiento para una sustancia
que posee dos componentes o elementos y
una dada composición
A diferencia del
caso anterior el
líquido y el sólido
coexisten no solo
a una temperatura
sino que a un
rango
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Curva de enfriamiento para una sustancia que posee dos
componentes o elementos para diferentes composiciones el
elemento puro A tiene menor temperatura de fusión que el
elemento B
Elemento A puro
curva tiene un plato
Elemento B puro
curva tiene un
plato
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Tem
p
A B
50% B 0% B 100% B
Diagrama Temperatura-Composición
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Tem
p
A B
m n o
Solución Sólida
CQcaLiq
~35%B
CQcasol ~10%B
CQcaLiq
~60%B CQcasol
~20%B
50% B 0% B 100% B
Solidus: por encima de esta curva (temperatura)
todo está sólido
Liquidus: por encima de esta curva (temperatura)
todo está líquido
Cqca?
Cqca?
22%B
=22%B
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Primera región solidificada
Borde de grano.
Última región solidificada
C1
C2
Tem
p
A B
C1 C2 C3 C4 C5
Liquidus
Solidus C3
C4
C5
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Tem
p
A B
m n o
%40100mo
no Sól%
%60100mo
mn Líq%
Solución Sólida
¿Cuál es la proporción de fase sólida y de
fase líquida que hay?
Rta: Regla de la Palanca.
Se aplica entre dos fases.
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REGLAS DE HUME-ROTHERY
Para obtener una solución sólida total
Las reglas de Hume-Rothery representan un conjunto de
condiciones que deben cumplir las soluciones sólidas
metálicas, para que tenga lugar la miscibilidad total entre las
distintos componentes. Dichas reglas establecen que:
1. La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior
al 15 por 100.
2. La electronegatividad (capacidad del átomo para atraer
un electrón) debe ser similar.
3. Los dos metales deben poseer la misma estructura
cristalina.
Si no se cumple una o más de las reglas de Hume-
Rothery, sólo es posible obtener solubilidad parcial
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Te
mp
A B
Te
mp
A B
Te
mp
A B
Te
mp
A B
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Cu 90 Ni 10
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Cu 30 Ni 70
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![Page 32: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/32.jpg)
Al82% Si18%
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Te
mp
A B
Matriz = ¿a ó b?
Dispersión = ¿a ó b?
a b
%b %a
Eutéctico
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Te
mp
A B
Matriz = ¿a ó b?
Dispersión = ¿a ó b?
a b
%b %a
% Sol. Sól b % Eutéctico
a+ b
Eutéctico
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Te
mp
A B
a b
Eutéctico
~10% de b
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Pb Sn plomo estaño
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Compuesto intermetálico
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Te
mp
A B
a
b
a
Peritéctico puro
Solución Sólida
a + líquido
a + b
Líquido
b + Liq
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a
b
Líquido
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Te
mp
A B
a
b
Peritéctico puro
Solución Sólida a
b
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Te
mp
A B
a
b
a Peritéctico incompleto
Exceso de Sólido
b
a
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Te
mp
A B
a
b
b
Peritéctico puro Cambio Alotrópico
Curvas de cambio alotrópico
a
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Te
mp
A B
a
Peritéctico puro
Intermetálico
b
AnBm
a
AnBm
![Page 46: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/46.jpg)
Te
mp
A B
a
Peritéctico + Eutéctico
AnBm
AnBm + B A + AnBm
P
E
Tiempo
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Te
mp
A B
E’
líquido
d
d + Líq
a + b
b + d a + d
a b
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Te
mp
a
AnBm + B A + AnBm
P’
E’
A B
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Diagrama Cu-Zn
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Cu70%
Zn30%
Cu55%
Zn45 %
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Cu 80 Sn 20
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Tem
pera
tur
[°C
]
700
650
600
500
400
0 10 20 30 40
Al- Gewichtsprozent
437°C
Mg Al
cs
c o
cl a b
f s = b a + b
f l =
Bereich technischer Mg-Legierungen
Thixobereich
Schmelze
(a+b) a b
S + a S + b
a a + b
a -Phase
b -Phase (Mg 17 Al 12 )
Eutectic
(a + b)
MgAl9Zn
Thixo-Vormaterial
Zustandsdiagramm des Systems Mg-Al
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Diagrama de fases Cu-Zn
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Diagrama de fases cobre-zinc.
Este diagrama tiene las fases α y
η terminales y las fases β, γ, δ y
ε intermedias. Hay cinco puntos
peritécticos invariantes y un
punto eutectoide.
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Diagrama de fases titanio-aluminio.
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Diagrama de fases MgO – Al2O3
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![Page 67: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/67.jpg)
Comportamiento de las aleaciones
binarias
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Aleación Ni-Cr
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Fe
Fe3C
Líquido
`(gama)
d (delta)
a (alfa)
+ Fe3C
a + Fe3C E’
P
721°C
1130°C
0.023 0.8
768°C
1535°C
2 4.25
Diagrama Metaestable Fe-Fe3C
Diag. Estable
Fe-C
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Fases sólidas:
Es una solución sólida intersticial
en una red BCC
Es una solución sólida intersticial
en una red BCC
Es una solución sólida intersticial
en una red FCC
Es un compuesto intermetálico
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FeFe3C
Líquido
d
a
+ Fe3C
a + Fe3CE’
P
721°C
1130°C
0.023 0.8
1535°C
2 4.25
d
![Page 72: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/72.jpg)
FeFe3C
Líquido
d
a
+ Fe3C
a + Fe3CE’
P
721°C
1130°C
0.023 0.8
1535°C
2 4.25
a Fe3C
S. Sól. Eutect.
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FeFe3C
Líquido
d
a
+ Fe3C
a + Fe3CE’
P
721°C
1130°C
0.023 0.8
1535°C
2 4.25
![Page 74: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/74.jpg)
Fe
Fe3C
Líquido
d
a
+ Fe3C
a + Fe3C E’
P
721°C
1130°C
0.023 0.8
768°C
1535°C
2 4.25
![Page 75: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/75.jpg)
Fe3C
Perlita (a + Fe3C)
Matriz: Fe3C
Dispersión:
Dispersión:
Perlita
Ledeburita
Ledeburita Transformada
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Diagrama Metaestable Fe-Fe3C
Componentes
o Elementos Fases Constituyentes
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Diagrama Metaestable Fe-Fe3C
Componentes
o Elementos:
Fases:
d
a Fe3C
Fe Fe3C
d
a
+ Fe3C
a + Fe3C
Fe 6,66% C
Fe
C
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Diagrama Metaestable Fe-Fe3C
Constituyentes:
(nos dan una idea
de cómo estan
entremezcladas
las fases; causa
de las propiedades
mecánicas)
(delta)
d (gama)
a (alfa)
Fe3C
Perlita (a+Fe3C)
Ledeburita (+Fe3C)
Ledeburita
Transformada
Const.
Bifásicos
Const.
Monofásicos
(a+Fe3C)
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Fe
Fe3C
Líquido
d
a
+ Fe3C
a + Fe3C
P
721°C
1130°C
0.023 0.8
768°C
1535°C
2 4.25
Aceros Fundiciones
Led. + Fe3C (1°)
Led. T. + Fe3C
+ Led.
+ Fe3C 2°
+ Fe3C 2°
Per. + Led.
+ Fe3C 2°
Per. + Fe3C 2° a + Per
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Estructuras
Metalográficas
•De tipo eutécticas
•Compuestos intermetálicos
•Martensíticas (2° parte de la materia)
Eutectoides
Eutécticos
•De nucleación y crecimiento
Soluciones Sólidas
Metales puros
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Diagrama de fases SiO2 – Al2O3 – MgO su principal aplicación es en la
obtención de refractarios cerámicos
Diagrama
ternario
![Page 82: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/82.jpg)
![Page 83: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/83.jpg)
Visión en perspectiva de un modelo espacial de un sistema ternario con
un eutéctico simple y sistema compuestos ternarios.
![Page 84: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/84.jpg)
Superficie del Liquidus ternario
Línea del Solidus binario
Línea del Liquidus Binario
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Diagrama de fases ternario
![Page 86: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/86.jpg)
Diagrama de fases Cu-Ni totalmente soluble un metal en el otro
![Page 87: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/87.jpg)
Proyección del análisis térmico para el digrama de fases de la aleación Cu-Ni
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![Page 92: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/92.jpg)
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Diagrama eutéctico con solución sólida limitada
Diagrama de fases eutéctico plomo-estaño. Se presenta solución sólida limitada de α +β
Solución sólida α + solución sólida β
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Diagrama de fases de dos soluciones solidas
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Soluciones sólidas α y β = fases terminales
Línea eutéctica = temperatura eutéctica
α o β + líquido = región bifasica ( solido y líquido)
α + β = región bifásica ( mezcla sólida)
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Microestructuras para una mezcla de composición eutéctica
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![Page 103: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/103.jpg)
Aleación de composición hipoeutéctica temperatura
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Aleación de composción hipereutéctica temperatura
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![Page 111: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/111.jpg)
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Solidificación y formación de compuestos en diagramas de fases
binarios
Microestructuras en el equilibrio para una aleación cuando es enfriada
desde la región de fase líquida izq. a una composición C1; Der. a una
composición C2
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Microestructuras en el equilibrio para una aleación Pb-Sn decomposición eutéctica
C3 sobre (proeutéctico) y debajo de la temperatura eutéctica
Fotomicrografía que muestra la
estructura de la aleación Pb-Sn de
composición eutéctica. Esta
microestructura consiste en capas
alternas de una fase α de solución
sólida rica en Pb (Capas Oscuras) y
una fase β de solución sólida rica en
Sn
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Microestructuras en el equilibrio para una aleación cuando es enfriada
desde la región de fase líquida a una composición C4
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Solución sólida α + solución sólida β
![Page 119: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/119.jpg)
Curva esquemática Temperatura-Tiempo de enfriamiento de una
aleación con 60% de Pb y 40% de Sn
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Eutéctica Cu-Ag
![Page 121: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/121.jpg)
Microestructuras para una aleación Fe-C de composición
eutectoide (0,76% C) por encima y debajo de la
temperatura eutectoide.
![Page 122: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/122.jpg)
Microestructuras para una aleación Fe-C de composición hipoeutectoide por
encima y debajo de la temperatura eutectoide.
![Page 123: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/123.jpg)
Microestructuras para una aleación Fe-C de composición hipereutectoide por encima y
debajo de la temperatura eutectoide.
![Page 124: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/124.jpg)
Efecto del endurecimiento por deformación (trabajo en frío)
de un material sobre las propiedades mecánicas
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Aleaciones de
expansión térmica
nula o negativa
![Page 126: ALEACIONES BINARIAS - biblio3.url.edu.gtbiblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/7-Aleaciones_Binarias.pdf · •Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022022100/5bad6dfb09d3f234478b5092/html5/thumbnails/126.jpg)
Expansión térmica
• ¿Qué es la expansión térmica?
• Importancia de la expansión térmica
– Materiales expuestos a cambios de
temperatura
• Comportamiento común de los metales
– Calor Expansión
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Expansión térmica nula
• Calor sin cambios
• Estabilidad dimensional en el diseño
• Estructuras espaciales, puentes y sistemas de tuberías
• Se busca la distribución óptima de ambos materiales
• :
• microestructura hipotética óptima de dos materiales.
• Las partes rojas son de alta expansión, las azules de baja expansión y las blancas son vacío.
•
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Aleación Itrio-Galio-Germanio
• Exhibe ZTE
• Valencia inducida
• Necesario para reducir estrés
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Aleación Super-Invar (Fe-Ni-Co)
• Diseñada para proveer una expansión térmica casi nula – Temperaturas entre -35
ºC y 135 ºC
• Tratamiento térmico – Genera el menor coef.
de expansión térmica
– Aleación resistente y blanda
• Aplicación en instrumentos de precisión
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Expansión térmica negativa
• Expansión térmica negativa
– Calor contracción
• Aplicaciones
– Uniones de piezas
• Consideraciones inusuales de entropía
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Tungstato de circonio (ZrW2O8)
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Tungstato de circonio (ZrW2O8)
• Aplicaciones
– Electrónica
– Celdas de combustible
– Sensores
– Termostatos
– Odontología
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Aleación magnesio-itrio
• Resistente a la
corrosión
• Efecto del CO2
• Formación de
películas de hidroxi-
carbonato
• Se utiliza en aviación