A.solubilidad y Trans. de Fase en El Estado Sólido de Los Metales
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Ciencia de los Materiales
2015-1
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SOLUBILIDAD EN EL ESTADO
SÓLIDO DE LOS METALES
Solubilidad en el estado sólido de los metales
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Expresión de un aleación (caso Ag-Cu)
Si es % en peso: 8 % Ag → de cada 100 g de aleación, 8 g de
Ag y 92 g de Cu.
Si es % atómico: 6 % Ag → de cada 100 átomos, 6 son de Ag.
Si se conoce una expresión, se puede conocer la otra !
Regla de las fases • Fase (P): parte homogénea de un sistema separados de otras
por una superficie límite.
• Componente (C): elementos que forman el sistema. • Metales puros.
• Compuestos químicos que no se disocian.
• Grado de libertad (F): 3 variables que definen el sistema
(Presión, Temperatura y % de composición).
F = C – P + 2 (Ley de Gibbs)
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Se suele trabajar a presión constante →
F = C – P + 1
1
0
2
3
0
1 2
3
Metal puro Aleación (Cu-Ni)
0→1: C=1, P=1 → F = 1
Para definir el sistema se debe
fijar la temperatura.
1→2: C=1, P=2 → F = 1-2+1= 0
La Tf a Patm ya está definida, no
lo podemos modificar.
0→1: C=2, P=1 → F = 2-1+1 = 2
Sistema bivariante.
Para definir el sistema debo fijar
la composición y la temperatura.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Condiciones de equilibrio
• En condiciones de equilibrio, se tiene un enfriamiento
muy lento durante una transformación. Es posible
entonces un reajuste continuo de las composiciones mediante
la difusión en estado sólido a medida que la temperatura
desciende.
• En condiciones fuera de equilibrio, el enfriamiento es
demasiado rápido como para que los átomos se difundan y
establezcan las condiciones de equilibrio.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Diagramas de fases (diagramas de equilibrio)
DEFINICIONES:
• Es un modelo gráfico (bidimensional) de un sistema de
aleación que muestra las fases que deben existir en
condiciones de equilibrio termodinámico para cualquier
combinación específica de composición y temperatura.
• Muestra las fases presentes a medida que varía la
temperatura y la composición de un sistema de aleación en
condiciones de equilibrio.
• Es un diagrama que muestra la relación entre la temperatura,
la composición y la microestructura de una aleación
cualquiera de un sistema de aleación, obtenidas estas en
condiciones de equilibrio.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Construcción de diagramas de fases
Tf A
Tf B
x
x x
x
Serie de curvas de enfriamiento para diferentes aleaciones en un sistema completamente soluble.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Diagrama de fase de dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido.
L
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Aplicaciones de los diagramas de fases (ver Fig. siguiente)
1. Conocer las fases presentes:
Punto 1: L; Punto 2: L + α y Punto 3: α
2. Conocer la composición de las fases:
• Cuando hay una sola fase, la composición de esa fase es
la misma que la de la aleación.
• Cuando hay dos fases, aplicar la regla de la horizontal
por el punto donde coexisten las dos fases (Punto 2):
L: 20% Ni (y 80% Cu) y fase α: 35% Ni.
En la horizontal, fijada la temperatura, queda automática-
mente fijada la composición de las fases presentes en la
horizontal.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Aplicaciones de los diagramas de fases (cont.)
Aleación Cu - Ni
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Aplicaciones de los diagramas de fases (cont.)
3. Conocer la cantidad de las fases: usando la regla de la
palanca, las cantidades relativas de las fases que coexisten
en un área del diagrama, son inversamente proporcionales a
las “longitudes relativas” de los segmentos que definen la
recta horizontal de temperatura y los límites del área (campo)
que forman dichas fases.
66,7%
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
Tipos de diagramas de fases de acuerdo a la
solubilidad
1. Dos metales completamente solubles en estados líquido y sólido.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
2. Dos metales completamente solubles en estado líquido y completamente insolubles en estado sólido.
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
3. Dos metales completamente solubles en estado líquido pero parcialmente solubles en estado sólido (caso más común).
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Solubilidad en el estado sólido de los metales
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TRANSFORMACIONES DE
FASE EN EL ESTADO SÓLIDO
DE LOS METALES
Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
En estado sólido se conocen dos tipos de transforma-
ciones de fase: las difusivas y las desplazativas.
Las primeras son controladas por la difusión, mientras
que las segundas obedecen a movimientos
cooperativos de átomos que se desplazan distancias
del orden del parámetro de red.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
1. Transformaciones difusivas
Este tipo de transformaciones son las más generalizadas:
- Transformaciones alotrópicas,
- Transformaciones de ordenación (transformación
orden-desorden),
- Reacción eutectoide y
- Reacción peritectoide.
Todas estas transformaciones obedecen a mecanismos de
difusión de átomos en la fase original para dar lugar a
embriones (formados por muy pocos átomos) de la nueva
fase.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Transformaciones alotrópicas Se destacó anteriormente que diversos metales pueden
existir en más de un tipo de estructura cristalina,
dependiendo de la temperatura (caso del Fe, Sn, Mn y el
Co).
(magnético T< 768 ºC) (hasta
76
8 º
C, lu
eg
o
β h
as
ta 9
12 º
C)
(δ)
T amb
(Fe-α)
CCCu
1394 ºC
(Fe- δ)
CCCu
912 ºC
(Fe-γ)
CCCa
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Curva de formas alotrópicas del hierro puro Fe
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Transformaciones de ordenación (transformación orden-desorden)
Al formarse una solución sólida de tipo sustitucional, los átomos
de soluto generalmente no ocupan ninguna posición específica,
sino que están distribuidos al azar en la estructura reticular del
solvente. En este caso, la aleación está en condición
“desordenada”.
+ enfriamiento lento Los átomos de
soluto se mueven a
posiciones definidas
dentro de la red
“solución sólida
ordenada” o “super-
red”.
Es más común en
metales completa-
mente solubles en el
estado sólido.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
• Cuando la fase ordenada tiene la misma estructura reticular
que la fase desordenada, el efecto de ordenamiento sobre las
propiedades mecánicas es despreciable.
• El endurecimiento asociado con el proceso de ordenamiento
es más pronunciado en aquellos sistemas en que la forma de
la celda unitaria cambia por ordenamiento.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Reacción eutectoide
Esta es una reacción común en el estado sólido. En este caso,
una fase sólida se transforma, al enfriarse, en dos fases sólidas
nuevas.
La reacción eutectoide se define formalmente como aquella
reacción isotérmica reversible en la que una fase sólida
(generalmente una solución sólida) se convierte al enfriar en dos
o más sólidos íntimamente mezclados y cuyo número de sólidos
formados es el mismo que el de componentes del sistema.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Diagrama de fase
que muestra la
reacción
eutectoide.
Punto N: “punto
eutectoide” a la
temperatura
eutectoide.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Curva de enfriamiento
para la Aleación 1
Microestructura de una aleación
hipoeutectoide enfriada lentamente
(Aleación 1 )
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Reacción peritectoide
Esta es una reacción medianamente común en el estado sólido
y aparece en muchos sistemas de aleación.
La nueva fase sólida suele ser una aleación intermedia; pero
puede ser también una solución sólida.
La reacción peritectoide se define formalmente como aquella
reacción isotérmica reversible en la que una fase sólida
reacciona con una segunda fase sólida para producir una
tercera fase al enfriar.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Diagrama de fase que muestra la formación de una fase intermedia ɣ por una reacción peritectoide.
Diagrama de fase que muestra la formación de la solución terminal sólida ɣ por una reacción peritectoide.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Reacciones de un diagrama en equilibrio
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
2. Transformaciones desplazativas
El segundo tipo de transformaciones en estado sólido
es el de transformaciones de fase sin difusión, también
llamadas transformaciones desplazativas o
martensíticas.
Estas transformaciones son de tipo orientado, es decir,
pueden considerarse como el desplazamiento de cierto
volumen del cristal por un plano determinado,
existiendo un movimiento cooperativo de átomos que
se desplazan distancias del orden del parámetro de red
y sin que se alteren sus posiciones relativas.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Transformación difusiva Transformación desplazativa
Muestra inicial
Existe correspondencia entre los átomos del estado inicial y final del proceso
Mezcla de átomos, no hay correspondencia entre estado inicial y final
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Características de la transformación desplazativa:
• Ausencia de difusión (la nueva fase tiene composición
idéntica a la inicial).
• Nueva orientación (la fase martensítica está orientada
respecto a la inicial).
• Dependen de la temperatura y no del tiempo.
• Es prácticamente instantánea al ser el desplazamiento
relativo muy pequeño. Transcurre a velocidades del orden de
la propagación del sonido en el cristal.
Estas transformaciones son similares al maclado,
diferenciándose de este en que la fase martensítica
posee una red distinta, mientras que las zonas macladas
tiene idéntico retículo.
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Transformaciones de fase en estado sólido de los metales
Mecanismo de la transformación desplazativa: Cizallamiento coordinado de la red cristalina desplazamiento
atómico menor que la distancia entre átomos la fase inicial y
la final tienen la misma composición.
Distorsión de Bain
CASO: Distorsión de
Bain.
CCCa → CCCu
Compresión en el eje
C y expansión de los
ejes a de la base.
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Fin