Repblica Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular Para la Educacin UniversitariaUniversidad Nacional Experimental Rafael Mara Baralt (UNERMB)San francisco, estado ZuliaCtedra: Ciencias de los materiales

Parte IEquilibrio de fases y endurecimiento por solucin slida

Parte I1.1Diagrama de faseUn diagrama de fases es la representacin grfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en funcin de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregacin diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.Los diagramas de equilibrio son grficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleacin a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material est en fase lquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales estn en estado slido. Diagrama de fase de una sustancia puraLos diagramas de fase ms sencillos son los de presin - temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presin y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presin y temperatura dadas, el cuerpo presenta una nica fase excepto en las siguientes zonas: Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados slido, lquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto inters, ya que representan una variante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termmetros.Los pares (presin, temperatura) que corresponden a una transicin de fase entre: a) Dos fases slidas: Cambio alotrpico;b) Entre una fase slida y una fase lquida: fusin - solidificacin;c) Entre una fase slida y una fase vapor (gas): sublimacin - deposicin (o sublimacin inversa);d) Entre una fase lquida y una fase vapor: vaporizacin - condensacin (o licuefaccin).1.2 Soluciones y solubilidadSoluciones: Son mezclas de dos o ms componentes, perfectamente homognea ya que cada componente se mezcla ntimamente con el otro, de modo tal que pierden sus caractersticas individuales. Esto ltimo significa que los constituyentes son indistinguibles y el conjunto se presenta en una sola fase (slida, lquida o gas) bien definida.Por ejemplo: Cuando se empiezan a combinar materiales distintos, como al agregar elementos de aleacin a un metal, se producen soluciones.Otro ejemplo comn podra ser un slido disuelto en un lquido, como la sal o el azcar disueltos en agua.Solubilidad: es la medida o magnitud que indica la cantidad mxima de soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente y a una temperatura determinada.Las unidades de expresin para la solubilidad son variadas, en general se expresa en g/l (gramos/litros).Ejemplo: La solubilidad de la sal comn (cloruro de sodio) es de 360 g/l en agua a 20C.Este valor indica que en un litro de agua (1000 cc) a 20C, la cantidad mxima de cloruro de sodio que se puede disolver es 360 gramos.Tipos de soluciones con respecto a la solubilidad.a) Solucin Insaturada: Es aquella en que la cantidad de soluto disuelto es inferior a la que indica su solubilidad, esta solucin se reconoce experimentalmente agregndole una pequea cantidad de soluto y esta se disolver.b) Solucin Saturada: Es aquella en que la cantidad de soluto disuelto es igual a la que indica su solubilidad. Este tipo de solucin se reconoce experimentalmente agregndole una pequea cantidad de soluto y no se disolver.c) Solucin Sobresaturada: Es aquella en que la cantidad de soluto disuelto es mayor a la que indica su solubilidad. Este tipo de solucin se reconoce experimentalmente por su gran inestabilidad ya que al agitarla o al agregar un pequeo cristal de soluto (cristal de siembra o semilla de cristal) se provoca la cristalizacin del exceso de soluto disuelto.- Factores que condicionan o modifican la solubilidad.Como se ha comprobado mediante experiencias cotidianas, hay sustancias muy solubles en agua (azcar), otras muy poco solubles y otras prcticamente insolubles (aceite), por lo tanto la solubilidad no posee siempre valor fijo o constante sino que depende de ciertos factores que harn de la solubilidad un valor que puede ser aumentado o disminuido segn sea el factor modificante y estas son los siguientes:a) La Temperatura:Este factor solo modifica la solubilidad de solutos slidos y gaseosos, los lquidos no sufren ninguna alteracin en su solubilidad, solo hasta que sean miscibles entre s (que se mezclen).En el caso de los slidos: En general un aumento de la temperatura provocar un aumento de la solubilidad aunque existen casos donde la solubilidad sufre una pequea variacin e incluso casos donde al aumentar la temperatura la solubilidad disminuye.En el caso de los gases: un aumento de la temperatura produce siempre una disminucin de la solubilidad y vice-versa. Si se coloca en un recipiente una pequea cantidad de bebida gaseosa, al ser calentada, se observa inmediatamente una efervescencia derivada del escape de gas (dixido de carbono) de la solucin. Si se calienta agua, esta pierde el aire disuelto en ella.b) La Presin:Este factor no produce alteracin alguna en las solubilidades de slidos y lquidos.La presin modifica considerablemente la solubilidad de un gas y acta de la siguiente forma: Un aumento de la presin producir siempre un aumento de la solubilidad del gas y vice-versa, siempre que la temperatura permanezca constante (la temperatura tambin modifica la solubilidad de un gas). Esta modificacin se conoce con trminos matemticos como ley de Henry que dice: La solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presin del gas sobre la superficie del lquido a temperatura constante. Esto se puede comprobar fcilmente con la siguiente experiencia:Las bebidas y el champagne, contienen un gas disuelto (dixido de carbono) a una alta presin, sobre todo el champagne, de ah que al abrirlos se produce una disminucin de la presin y el gas escapa violentamente de la solucin. Esto se puede evitar un cierto grado enfriando, ya que como uno puede darse cuenta fcilmente en el caso de los gases, su solubilidad varia en forma contraria con la presin y la temperatura.c) Naturaleza Qumica del Soluto y el Solvente:Este factor podemos tomarlo en trminos sencillos en el siguiente sentido:Una sustancia podr ser muy soluble en un determinado solvente, pero esto no permite asegurar que lo sea en otros solventes, para ejemplificar lo dicho, hay que observar la solubilidad del azcar y el yodo (en g/100g de solvente a 20C), utilizando como solventes agua y alcohol. Solubilidad ilimitada: Supongamos que se inicia con un vaso de agua y uno de alcohol, el agua en una fase y el alcohol otra. Al vaciar el agua en el alcohol y revolver, solamente se producir una fase. El vaso contendr una solucin de agua y alcohol, con estructura propiedades y composicin nicas. El agua y el alcohol son solubles entre s. Adems, tienen una solubilidad ilimitada; independientemente de la relacin de agua y alcohol al mezclarlos slo se produce una fase.De manera similar, si se mezcla cualquier cantidad de cobre lquido y de nquel lquido, slo se obtendr una sola fase lquida. La aleacin del lquido tendr la misma composicin, estructura y propiedades en todas partes, porque el nquel y el cobre tienen solubilidad lquida ilimitada. Solubilidad limitada: Cuando se agrega una pequea cantidad de sal (primera fase) a un vaso con agua (una segunda fase) y se revuelve, la sal se disuelve totalmente en el agua. Se obtendr slo una fase, agua salada o salmuera. Sin embargo, si al agua se le agrega demasiada sal, el exceso se hundir en el fondo del vaso. Ahora se tienen dos fases, agua saturada con sal, ms la slida excedente: la sal tiene solubilidad limitada en el agua.

1.3 Endurecimiento por solucin slidaAl producir aleaciones con solucin slida, se origina un endurecimiento por solucin slida. En el sistema cobre-nquel, intencionalmente se introduce un tomo sustitucional (nquel) en la red original (cobre). La aleacin cobre-nquel tiene una resistencia ms elevada que la de cobre puro. De manera similar, si se agrega al cobre menos de 30% de Zn, ste se comportar como un tomo sustitucional, endureciendo la aleacin cobre-zinc, en comparacin con el cobre puro. Grado de endurecimiento por solucin slidaDepende por dos factores. En primer trmino, una diferencia importante en el tamao atmico entre el tomo original (solvente) y el tomo agregado (soluto) incrementa el efecto del endurecimiento. Segundo, cuanto mayor sea la cantidad aadida del elemento aleante, ms grande ser el efecto de endurecimiento.Efecto del endurecimiento por solucin slida en las propiedades:El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensin y dureza de la aleacin son mayores que en los materiales puros.Generalmente la ductilidad de la aleacin ser menor que la del material puro. Slo en casos raros, como en aleaciones cobre-zinc, el endurecimiento por solucin slida incrementa tanto resistencia como ductilidad.La conductividad elctrica de la aleacin ser mucho menor que la del material puro. Por tanto, no se recomienda el endurecimiento por solucin slida de alambres de aluminio o de cobre utilizados para la trasmisin de la energa elctrica.La resistencia a la termofluencia, o la perdida de propiedades mecnicas a temperaturas elevadas, mejora con el endurecimiento por solucin slida. Las altas temperaturas no provocan cambios catastrficos en las propiedades de las aleaciones endurecidas por solucin slida. Muchas aleaciones diseadas para altas temperaturas como las que se utilizan en las turbinas de motores a reaccin, se basan parcialmente en un extenso endurecimiento por solucin slida.

1.4 Diagrama de fases isomorfoUn diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinacin de temperatura y composicin de la aleacin. Cuando en la aleacin slo estn presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metlicos y cermicos. En los sistemas isomorfos, slo se forma una fase slida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad slida ilimitada.Informacin que podemos obtener de los diagramas de fase:a) Conocer que fases estn presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).b) Averiguar la solubilidad, en el estado slido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.c) Determinar la temperatura a la cual una aleacin enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificacin.d) Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Temperaturas de lquidus y de slidus:La curva superior en el diagrama es la temperatura de lquidus. Se debe calentar una aleacin por encima de lquidus para producir una aleacin totalmente lquida que pueda ser colocada para obtener un producto til. La aleacin lquida empezar a solidificarse cuando la temperatura se enfre hasta la temperatura de lquidus. La temperatura de slidus es la curva inferior. Una aleacin de este tipo, no estar totalmente slida hasta que el metal se enfre por debajo de la temperatura de slidus. Si se utiliza una aleacin cobre-nquel a altas temperaturas, deber quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecer por debajo de la temperatura de slidus, de manera que no ocurra fusin. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el lquidus y el slidus. La diferencia de temperatura entre lquidus y slidus se denomina rango de solidificacin de la aleacin. Dentro de este rango, coexistirn dos fases: una lquida y una slida. El slido es una solucin de tomos de los compuestos involucrados; a las fases slidas generalmente se les designa mediante una letra minscula griega, como alpha.

1.5 Solidificacin de una aleacin de solucin slidaEn una aleacin como Cu-40% Ni que se funde y luego se enfra, la solidificacin requiere que ocurra tanto la nucleacin como el crecimiento. La nucleacin heterognea permite poco o prcticamente ningn subenfriamiento, por lo que la solidificacin empezar cuando el lquido llegue a la temperatura del liquidus. Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del slido. Primero, el crecimiento requiere que el calor latente de fusin, que se disipa durante la solidificacin del lquido, sea eliminado de la interfase slido lquido. Segundo, y a diferencia de los metales puros, debe ocurrir la difusin de tal manera que durante el enfriamiento las composiciones de las fases slida y lquida sigan las curvas de solidus y liquidus. 1.6 Solidificacin fuera de equilibrio y segregacin Las condiciones de solidificacin en equilibrio slo se alcanzan mediante velocidades de enfriamiento extremadamente lentas. Los cambios de temperatura deben permitir el reajuste de modo que la composicin de las dos fases en equilibrio coincida con el diagrama de fases. Estos reajustes se alcanzan mediante procesos de difusin; es decir, difusin mutua de las fases slida y lquida a travs de la intercara slido-lquido. Teniendo en cuenta que la difusin es una fenmeno que depende del tiempo, para mantener el equilibrio durante el enfriamiento se necesita suficiente tiempo en cada temperatura para reajustar a las composiciones apropiadas. Las velocidades de difusin (p.ej., la magnitud de los coeficientes de difusin) son especialmente bajos en fase slida y, en ambas fases, decrecen al disminuir la temperatura. Las velocidades de enfriamiento, en casi todas las situaciones prcticas de solidificacin, son muchos mayores que las velocidades que permiten el ajuste composicional indicado y el mantenimiento de la condicin de equilibrio, por lo que resultan microestructuras distintas de las que se han citado.Una importante consecuencia de la solidificacin fuera de equilibrio, para aleaciones isomorfas en una distribucin no uniforme de los dos elementos dentro de los cristales, denominada segregacin. La regin central de cada grano es la primera que ha solidificado y es rica en el elemento de alta temperatura de fusin (p.ej., nquel para el sistema Ni-Cu) mientras que la concentracin del elemento de baja temperatura de fusin va aumentando desde el centro al lmite del grano. Si las muestras moldeadas, que tiene una microestructura segregada, se vuelven a calentar, la regin del lmite del grano funde en primer lugar, ya que es ms rica en el elemento de temperatura de fusin menor. Esto suele producir una drstica prdida de la integridad mecnica debido a la delgada pelcula lquida que separa los granos. Adems esta fusin puede iniciarse a temperatura inferior a la temperatura de equilibrio solidus de la aleacin. La segregacin se puede eliminar por el tratamiento trmico de la homogeneizacin, que se realiza calentando la aleacin de composicin conocida a una temperatura inferior al punto solidus. Durante este proceso, la difusin atmica genera granos de composicin homognea.