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[email protected] – Ing. Rafael Puentes Compendio 3 (Diagramas de Fases) Diagramas de fases: Introducción: El uso y entendimiento de los diagramas de fases es de vital importancia en la ciencia de los materiales debido a que hay una significativa relación entre la microestructura y las propiedades mecánicas del material y por qué el desarrollo de la microestructura de una aleación está relacionado con las características de su diagrama de fases, además de esto los diagramas de fases nos suministran datos acerca de la fusión, el moldeo, la cristalización y muchos fenómenos más. Diagrama: Se define como un tipo de esquema de información que representa datos numéricos tabulados. Fase: Se define fase a cada una de las partes homogéneas diferente al resto y mecánicamente separable de los demás. Diagrama de Fases: Se define diagrama de fase, diagrama de equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado. Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido. En resumen los diagramas de fases nos permiten: Conocer las fases presentes en condiciones de equilibrio Conocer la solubilidad en el estado sólido y liquido Determinar temperaturas de inicio y finalización de la solidificación. Coordenadas de los diagramas de fase: En términos generales, los diagramas de fases se grafican con la temperatura (ya sea en grados centígrados o Fahrenheit), como la ordenada y la composición de la aleación (como
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[email protected] – Ing. Rafael Puentes Compendio 3 (Diagramas de Fases)
Diagramas de fases: Introducción:
El uso y entendimiento de los diagramas de fases es de vital importancia en la ciencia de los materiales debido a que hay una significativa relación entre la microestructura y las propiedades mecánicas del material y por qué el desarrollo de la microestructura de una aleación está relacionado con las características de su diagrama de fases, además de esto los diagramas de fases nos suministran datos acerca de la fusión, el moldeo, la cristalización y muchos fenómenos más. Diagrama:
Se define como un tipo de esquema de información que representa datos numéricos tabulados. Fase:
Se define fase a cada una de las partes homogéneas diferente al resto y mecánicamente separable de los demás. Diagrama de Fases:
Se define diagrama de fase, diagrama de equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.
En resumen los diagramas de fases nos permiten:
Conocer las fases presentes en condiciones de equilibrio
Conocer la solubilidad en el estado sólido y liquido
Determinar temperaturas de inicio y finalización de la solidificación.
Coordenadas de los diagramas de fase:
En términos generales, los diagramas de fases se grafican con la temperatura (ya sea en grados centígrados o Fahrenheit), como la ordenada y la composición de la aleación (como
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porcentaje en peso), como la abscisa, para ciertas investigaciones científicas, algunas veces es más conveniente expresar la composición de la aleación en porcentaje atómico y puede hacerse por medio de las siguientes formulas:
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐴 =100 𝑥
𝑥 + 𝑦(𝑚𝑛 )
𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐵 =100 𝑦(
𝑚𝑛 )
𝑥 + 𝑦(𝑚𝑛
)
En donde:
𝑚 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐴 𝑛 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐵 𝑥 = 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐴 𝑦 = 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝐵
La nucleación:
Es el comienzo de un cambio de estado en una región pequeña pero estable. El cambio de estado puede ser la formación de gas o cristal a partir de un líquido. El límite de grano:
Es la superficie de separación entre dos cristales de un mismo gran policristal. Surge como consecuencia del mecanismo del crecimiento de grano, ó cristalización, cuando dos cristales que han crecido a partir de núcleos diferentes se "encuentran".
A pesar de tener la misma estructura cristalina, las orientaciones, debido al azar, serán
diferentes y unos cristales compensarán a los otros: los policristales suelen ser isótropos. Algunas propiedades:
A mayor (>) tamaño de grano, menor conductividad eléctrica pues el borde de grano impide el movimiento de los electrones.
A menor tamaño de grano, mayor resistencia mecánica, pues las dislocaciones tendrán menor movilidad al estar impedido su movimiento. Los límites de grano "anclan" las dislocaciones impidiendo su movimiento, por tanto un mono cristal resistirá mejor la tracción que un policristal realiza.
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Métodos experimentales: Los datos para construir diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente por diversos métodos, entre los cuales los más comunes son:
Análisis térmicos: son los métodos que más se emplean, al hacer un diagrama de
temperatura contra tiempo, a composición constante, la curva d enfriamiento
resultante mostrara un cambio en pendiente, cuando ocurre un cambio de fase, estos
métodos parecen ser los mejores para determinar la temperatura de solidificación
inicial y final, los cambios de fase que ocurren solo en estado sólido, generalmente
comprenden pequeños cambios de calor, y otros métodos dan resultados más
exactos.
Métodos metalográficos: estos consisten en calentar muestras de una aleación a
diferentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca, y entonces se
enfrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura, luego las
muestras se analizan en el microscopio, es difícil aplicar este método a metales a
altas temperaturas, ya que las muestras enfriadas rápidamente no siempre retienen
su estructura de alta temperatura, y entonces se requiere gran habilidad para
interpretar en forma correcta la microestructura observada este método es el más
adecuado para corroborar un diagrama.
Difracción de rayos X: como este método mide las dimensiones de la red, indicara la
aparición de una nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por
la aparición de una nueva estructura cristalina, este método es sencillo, preciso y muy
útil para determinar los cambios en la solubilidad sólida en relación con la
temperatura.
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Diagramas en aleaciones binarias:
a. Tipo I - Dos metales completamente solubles en los estados líquidos y
sólidos:
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b. Tipo II - Dos metales completamente solubles en los estado líquido y
completamente insolubles en el estado sólido (Reacción eutéctica):
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c. Tipo III – Dos metales completamente solubles en el estado líquido, pero solo
parcialmente solubles en el estado sólido:
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d. Tipo IV – La fase intermedia de fusión congruente:
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e. Tipo V – La Reacción peritéctica:
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f. Tipo VI – Dos líquidos parcialmente solubles en el estado líquido (reacción
monotéctica):
g. Tipo VII – Dos metales insolubles en los estados líquido y solido:
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Interrelación de tipos básicos:
Entre los tipos de diagramas de equilibrio examinados pueden combinarse de diversas forma y de modo crear más diagramas.
Trasformaciones en estado sólido: Alotropía: es la propiedad de algunos materiales de poseer estructuras cristalinas diferentes dependiendo de su temperatura, por ejemplo sabemos que el hierro a < de 912 °c, es BCC y al superar los 912 es FCC pero a los 1395°c vuelve a ser BCC. En un diagrama de equilibrio, este cambio alotrópico se indica por un punto o puntos en la línea vertical que representa el metal puro. Trasformación orden-desorden: al formarse una solución solida de tipo sustitucional, los átomos de soluble generalmente no ocupan ninguna posición específica, sino que están distribuidos al azar en la estructura reticular del solvente. Se dice que la aleación está en una condición “desordenada”. Algunas de estas soluciones solidas al azar, si se enfrían lentamente, sufren un rearreglo de los átomos donde los átomos de soluto se mueven en posiciones definidas dentro de la red. Dicha estructura se conoce ahora como solución solida ordenada o súper red.
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Reacción eutectoide: esta es una reacción común en el estado sólido, muy semejante a la reacción eutéctica, pero no incluye al líquido, en este caso, una fase solida se trasforma, al enfriarse, en dos fases solidas nuevas. Reacción peritectoide: esta es una reacción medianamente común en el estado sólido y aparece en muchos sistemas de aleación.
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Reglas para conocer la composición química real y las cantidades relativas de las dos fases presentes:
a) Regla I: Composición química de las fases: para determinar la composición química
real de las fases de una aleación, en equilibrio a cualquier temperatura especifica en
una región bifásica, se debe trazar una línea horizontal para la temperatura, llamada
línea vinculo, a las fronteras del campo, estos puntos de intersección se abaten a la
línea base y la composición se lee directamente.
b) Regla II: Cantidades relativas de cada fase (Regla de la palanca): para determinar las
cantidades relativas de las dos fases en equilibrio, a cualquier temperatura específica
en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que representa a aleación y
una línea horizontal (como la temperatura), los límites del campo. La línea vertical
dividirá a la horizontal en dos partes cuyas longitudes son inversamente
proporcionales a la cantidad de las fases presentes. El punto donde la línea vertical
intersecta a la horizontal, se considerara como el fulcro, o eje de oscilación de un
sistema de palanca. Las longitudes relativas de los brazos de palanca multiplicadas
por las cantidades de las fases presentes deben balancearse.
𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒) =𝑚𝑛
𝑚𝑜∗ 100
∝ (𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒) =𝑛𝑜
𝑚𝑜∗ 100
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Ejercicio: Una aleación de Cobre-Níquel contiene 17 % en peso de Cu y 83 % en peso de Ni y está a 1400 0C. De la gráfica responda: a) ¿Cual es el % en peso de cobre en las fases sólida y líquida a esta temperatura? b) ¿Que % en peso de la aleación es líquida y que % es sólida?
´
a) En la gráfica proporcionada, primero se traza una línea horizontal para la temperatura de 1400ºC. se crearan dos puntos de intersección desde los cuales se abaten una línea vertical a la base y la composición se lee directamente.
% en peso de cobre en fase liquida ≅ 81%
% en peso de cobre en fase solida ≅ 87%
b) Para obtener las cantidades relativas de cada fase se utiliza la regla de la palanca. Se traza una línea vertical desde la base hasta cortar la línea horizontal de temperatura. Por tanto, la vertical dividirá la horizontal en dos partes, cuyas longitudes son inversamente proporcionales a la cantidad de las fases presentes.
% 𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 = 83 − 81
87 − 81𝑥100 = 33,33%
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% 𝑆𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 =87 − 83
87 − 81= 66,66%
Bibliografía:
1. http://platea.pntic.mec.es/~jdelucas/materiales.htm
2. Introducción a la metalurgia física, Segunda Edicion, Avner Sydney.
3. Compendio Ciencias de los Materiales Ing. Roger Chirinos (Luz/UNERMB)
4. Compendio Ciencias de los Materiales Ing. Tibizay Leon (UNEFA)
5. MATERIALES PARA INGENIERÍA 1, Introducción a las propiedades, las aplicaciones
y el diseño, Michael F. Ashby \ David R. H. Jones
6. www.wikipedia.org
7. ASKELLAND, Donald (1998). Ciencias e Ingeniería de los Materiales. Ed.
Interamericana. México.
8. Smith y Hashemi (1998). Fundamentos de la Ciencia de Ingeniería de Materiales.
México. McGraw-Hill Interamericana Editores S.A.
9. http://platea.pntic.mec.es/~jdelucas/materiales.htm
10. http://noticiasdelaciencia.com/
