ALEACIONES y DIAGRAMAS DE FASES

CONSTITUCIÓN DE ALEACIONES

UNIDAD V

Aleaciones y Fases� Una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está

constituida por dos o más elementos químicos, de los cuales, a lo menos unode ellos es metal.

� El término fase describe cualquier masa homogénea de material, tal como unmetal en el que los granos tienen todos la misma estructura de red cristalina.

� En una solución sólida, el elemento de disolvente o base es metálico, y elelemento disuelto puede ser metálico o no metálico.

� Las soluciones sólidas se pueden presentar en dos formas, que se muestranen la Figura 1. La primera es una solución sólida de sustitución, en el que losátomos del elemento de disolvente se sustituyen en su celda unidad por elelemento disuelto. El bronce es un ejemplo clásico en el que el Zn estádisuelto en el Cu.

� Para hacer la sustitución, varias reglas deben cumplirse: (1) los radiosatómicos de los dos elementos debe ser similares o en el orden, por logeneral dentro del 15%; (2) sus tipos de celdas deben ser del mismo tipo; (3)si los elementos tienen diferentes valencias, es más probable que sea eldisolvente el metal de valencia inferior; y (4) si los elementos tienen una altaafinidad química para cada uno de otro, son menos propensos a formar unasolución sólida y es más probable para formar un compuesto.

Formas de Solución Sólida

Dos formas de solución sólida:a) S. S. Sustitucional,b) S. S. Insterticial

Figura 1

SOLUCIÓN SÓLIDA INTERTICIAL

� El segundo tipo de solución sólida es una solución sólida intersticial,en el que los átomos del elemento de disolución encajan en losespacios vacíos entre los átomos de metales base en la estructurareticular. De ello se desprende que los átomos que encajan enestos intersticios deben ser pequeños en comparación con los delmetal disolvente. El ejemplo más importante de este segundo tipoes de carbono disuelto en el hierro para formar el acero.

� En ambas formas de solución sólida, la estructura de la aleación esgeneralmente más fuerte y más duro que cualquiera de loselementos componentes individualmente o en forma pura.

Fases Intermedias

� Como era de esperarse, existen límites a la solubilidad de un elemento enotro.

� Cuando la cantidad del elemento de disolución en la aleación excede ellímite de solubilidad sólida del metal base, una segunda fase tendrá formaen la aleación.

� El término fase intermedia se utiliza para indicar y aclarar que sucomposición química es intermedio entre los dos elementos puros.

� Su estructura cristalina es también diferente de la de aquella que tienen loselementos puros.

� Dependiendo de la composición, y reconociendo que muchas aleacionesconstan de más de dos elementos, estas fases intermedias pueden ser devarios tipos, incluyendo: 1) compuestos metálicos constituidos por un metaly un no metal tal como Fe3C; y (2) los compuestos intermetálicos en quedos metales que forman un compuesto, tal como Mg2Pb6.

� La composición de la aleación es a menudo tal que la fase intermedia semezcla con la solución sólida primaria para formar una estructura de dosfases, una fase dispersa a través de la segunda.

Introducción al Diagrama de Fases Binario

� Estas aleaciones bifásicas son importantes porque se pueden formular y sertratadas térmicamente (tmto. térmico) y así aumentar su resistencia mecánicasignificativamente tal que sea mayor que el de la solución sólida original.

� El término de diagrama de fases debe entenderse como un medio gráfico derepresentación de las fases de un sistema de aleación de metal como unafunción de la composición y la temperatura. Esta discusión del diagrama selimita (simplificadamente) a los sistemas de aleación que consta de doselementos a presión atmosférica. Este tipo de diagrama se llama un diagramade fases binario.

Figura 2.- Ejemplo de diagrama de fases binario entre loselementos A y B conuna T° y una [ ]eutéctica

SISTEMA BIFÁSICO Cu-Ni

� La mejor manera de introducir el diagrama de fase es el ejemplo de la Figura3 en el que se presenta uno de los casos más simples, el sistema dealeación de Cu-Ni. Cualquier punto en el diagrama indica la composiciónglobal y la fase o fases presentes en la temperatura dada. El cobre puro sefunde a 1083 °C, y el níquel puro a 1455 °C. Composiciones de aleaciónentre estos extremos exhiben fusión gradual que comienza en el solidus yconcluye en la fase líquida a medida que aumenta la temperatura. El sistemacobre-níquel es una aleación de solución sólida en toda su gama decomposiciones. En cualquier parte de la región por debajo de la línea desolidus, la aleación es una solución sólida; NO hay fases sólidas intermediasen este sistema. Sin embargo, hay una mezcla de fases en la región limitadapor el solidus y liquidus. La línea o frontera solidus es la temperatura a la queel metal sólido comienza a derretirse a medida que aumenta la temperatura,y el liquidus es la temperatura a la que se completa la fusión. Ahora sepuede ver a partir del diagrama de fase que estas temperaturas varían con lacomposición. Entre el solidus y liquidus, el metal es una mezcla sólido-líquido.

DIAGRAMA DE FASES Cu-Ni

Figura 2.- Diagrama de Fases Binario Cu-Ni

Figura 3.- SistemaBinario Cu-Ni

Determinación de la Comp. Qca. de las Fases Presentes

� Aunque la composición total de la aleación está dado por suposición a lo largo del eje horizontal, las composiciones de las faseslíquida y sólida no son las mismas. Es posible determinar estascomposiciones desde el diagrama de fase dibujando una líneahorizontal a la temperatura de interés. Los puntos de intersecciónentre la línea horizontal y el solidus y liquidus indican lascomposiciones de las fases sólida y líquida presentes,respectivamente. Simplemente construir las proyecciones verticalesde los puntos de intersección con el eje x y leer lascorrespondientes composiciones.

� Para ilustrar el procedimiento, supongamos que se quiere analizarlas composiciones de las fases líquida y sólida presente en elsistema de cobre-níquel en una composición de 50% de níquel yuna temperatura de 1260 °C

Continuación del Procedimiento de Cálculo

� Una línea horizontal se dibuja en el nivel de temperatura dado,como se muestra en la Figura 3. La línea se cruza con el solidus enuna composición de 62% de níquel, lo que indica la composición dela fase sólida. La intersección con el liquidus se produce a unacomposición de 36% de Ni, correspondiente al análisis de la faselíquida

� Como se reduce la temperatura de la aleación de Cu-Ni 50-50, lalínea solidus se alcanza a alrededor de 1221 °C. Aplicando elmismo procedimiento usado en el ejemplo, la composición del metalsólido es 50% de níquel, y la composición de la última gota dellíquido restante para solidificar es de aprox. 26% de níquel. ¿Cómoes esto, que la última gota de metal fundido tiene una composicióntan diferente de la de metal sólido en el cual se congela? Larespuesta es que el diagrama de fases asume las condiciones deequilibrio que prevalecen. De hecho, el diagrama de fase binario esun diagrama de equilibrio debido a esta suposición.

Fenómeno de Segregación Interna Durante la Solidificación

� Lo que significa es que se permite el tiempo suficiente para que elmetal sólido pueda cambiar gradualmente su composición pordifusión para alcanzar la composición indicada por el punto deintersección a lo largo de la línea liquidus. En la práctica, cuando sesolidifica la aleación (por ejemplo, una pieza de fundición), ocurreun fenómeno de segregación en la masa sólida debido a lascondiciones de no equilibrio. El primer líquido que solidifica tieneuna composición que es rica en el metal con el punto de fusión másalto. Entonces, como el metal restante se solidifica, su composiciónes diferente de la del primer metal solidificado. Como los núcleosque están creciendo y formando los granos de la masa sólidasolidificada, las composiciones se distribuyen dentro de la masa,dependiendo de la temperatura y el tiempo en el proceso en que seprodujo la solidificación. La composición total es la media dela distribución.

DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE CADA FASE. REGLA DE LA PALANCA.

� Las cantidades de cada fase presente en una temperatura dada enel diagrama de fase también se puede determinar. Esto se hace porla regla de la palanca inversa: (1) utilizando la misma líneahorizontal como antes que indica la composición general a unatemperatura dada, medir las distancias entre la composición deagregado y los puntos de intersección con el liquidus y solidus, laidentificación de las distancias como CL y CS, respectivamente(referirse a la Figura 3); (2) la proporción de fase de líquido presenteestá dada por:

� Proporción de fase L = CS ec. (1)CS + CL

� Proporción de fase S = CL ec. (2)CS + CL

Ejemplo del Uso de la Regla de la Palanca

� Determinar las proporciones de fases líquida y sólida para lacomposición de níquel 50% del sistema de cobre-níquel a latemperatura de 1260 °C.

� Solución: Utilizando la misma línea horizontal en la figura 3 como enel Ejemplo 1 anterior, las distancias CS y CL se miden como 12% y14% respectivamente. Así, la proporción de la fase líquida es 12/26= 0,46 (46%), y la proporción de fase sólida es 14/26 = 0,54 (54%).

� Las proporciones dadas por las ecuaciones. (1) y (2) son en peso,lo mismo que los porcentajes diagrama de fases. Tener en cuentaque las proporciones se basan en la distancia en el lado opuesto dela fase de interés; de ahí el nombre regla de la palanca inversa. Lalógica de esto se encuentra tomando el caso extremo cuando, porejemplo, CS = 0; en ese punto, la proporción de la fase líquida escero porque el solidus se ha alcanzado y la aleación está por lotanto completamente solidificada.

� Los métodos para determinar la composición química delas fases y las cantidades de cada fase son aplicables ala región sólida del diagrama de fase, así como la regiónde solidus-liquidus. Dondequiera que hay regiones en eldiagrama de fase en el que dos fases están presentes,se pueden utilizar estos métodos. Cuando sólo una faseestá presente (en la figura 3, se trata de toda la regiónsólida), la composición de la fase es su composición deagregado en condiciones de equilibrio; y la regla de lapalanca inversa no se aplica porque hay una sola fase.

Diagrama de Fases Sn-Pb

� Un diagrama de fases más complicado es el sistema de Sn-Pb, se muestraen la Figura 3. Las aleaciones de estaño y plomo se han utilizadotradicionalmente como soldaduras para realizar conexiones eléctricas ymecánicas. El diagrama de fase exhibe varias características que no seincluyen en el sistema Cu-Ni anterior. Una característica es la presencia dedos fases sólidas, alfa (α) y beta (β). La una fase α es una solución sólida deSn en Pb en el lado izquierdo del diagrama, y la fase β es una solución sólidade Pb en Sn que ocurre sólo a temperaturas elevadas alrededor de 200°C enel lado derecho del diagrama. Entre estas soluciones sólidas se encuentrauna mezcla de las dos fases sólidas α + β.

� Otra característica de interés en el sistema SN-Pb es cómo el pto. de fusiónvaría para diferentes composiciones. Estaño puro funde a 232°C y el plomopuro funde a 327°C. Las aleaciones de estos elementos se funden atemperaturas más bajas. El diagrama muestra dos líneas liquidus quecomienzan en los puntos de fusión de los metales puros y se reúnen en lacomposición de 61,9% Sn. Esta es la composición eutéctica para el sistemade estaño y plomo. En general, una aleación eutéctica es una composiciónparticular en un sistema de aleación para la cual el solidus y liquidus están ala misma temperatura

Diagrama de Fases Binario Sn-Pb

α

β

α β

α

β

Concepto de Eutéctico

� La temperatura eutéctica correspondiente, el punto de fusión de lacomposición eutéctica, es 183°C en el caso Sn-Pb. La T° eutécticasiempre es el punto de fusión más bajo para un sistema dealeación (eutéctica se deriva del griego eutektos, que significafácilmente fundida). Los métodos para determinar el análisisquímico de las fases y las proporciones de fases presentes sepueden aplicar fácilmente al sistema de Sn-Pb tal como se utilizaen el sistema Cu-Ni. De hecho, estos métodos son aplicables encualquier región que contiene dos fases, incluyendo dos fasessólidas. La mayoría de los sistemas de aleación se caracterizanpor la existencia de múltiples fases sólidas y composicioneseutécticas, y así los diagramas de fase de estos sistemas son amenudo similar al diagrama de Sn-Pb. Por supuesto, muchossistemas de aleación son considerablemente más complejos. Unode estos es el sistema de aleación de Fe-C.

Reacciones Posibles en un Diagrama de Fases de Equilibrio

La Reacción Peritectoide

� Esta es una reacción relativamente común en los diagramas de fases y se presenta en el estado sólido y aparece en varios sistemas de aleación. En general, la reacción peritectoide puede describirse de la sgte. forma:

Solido 1 + Solido 2 → NUEVO SÓLIDOLa nueva fase sólida suele ser una fase intermedia, aunque también podríatratarse de una solución sólida. La Rx peritectoide tiene la misma relación a lareacción peritéctica que la eutectoide la tiene con la eutéctica. Esencialmente,es el remplazo de un líquido por un sólido. Las figuras 4 y 5 muestran dos diag.de fases hipotéticos para ilustrar la Rx peritectoide.

γFig. 4.1 Fig. 4.2

La Reacción Peritectoide

� En la figura 4, 2 fases sólidas reaccionan en la línea de la T° peritectoideEF para dar forma a una fase intermedia. La relación puede escribirsecomo:

α + β γ

En la figura 5, dos fases sólidas, el metal puro A y la soluc. Sólida β reaccionanen la línea de la T° peritectoide CD para formar una nueva fase sólida; la s.s.terminal γ. Esta reacción se puede escribir como:

A + β γ

La microestructura de una Rx peritéctica rara vez muestra una transformacióncompleta. Esto es a causa que se requiere DIFUSIÓN a través de la nuevafase para alcanzar el equilibrio. Como la Rx peritectoide ocurre por completoen estado sólido y, gralmente. a T° menores a la Rx peritéctica, la veloc. dedifusión será menor y habrá menor probabilidad de que se alcance lasestructuras de equilibrio. La fig. 6 muestra una parte del diagrama de equilibrioAg-Al que contiene una Rx peritectoide:

enfriamiento

calentamiento

enfriamiento

calentamiento

Rx Peritéctica; Ejemplo Real

Figura 6.- Zonarica en Plata deldiagrama de Equi_librio Ag-Al.

Peritectoide

La velocidad de enfriamiento juega un rol importante en la proporción deFase β que se pueda obtener en la microestructura final de esta aleación. Estácomprobado que en esta caso se requieren varias horas de enfriamiento paralograr un porcentaje elevado de fase β en la microestructura a T° ambiente.

Ejemplo Clásico de Peritéctico. Diagrama Binario Fe-C en área de Fe δ cerca del pto de Fusión del Fe

Reacción Peritéctica:

δ + L γ

enfriamiento

calentamiento

Ejemplo de Reacciones Diversas en un Sistema Cuaternario Ferroso

Efecto de los elementos dealeación sobre un acero al C.Acero aleado con 4% Cr, 5%Mo, 6% W y 2% V.Observar el efecto sobre elcampo alfa del acero, ladesaparición de la fase deltay la aparición de una fase K