ALEACIONES METÁLICAS Introducción. Aleaciones, Constituyentes Diagramas de Fases. Reglas de las Fases de Gibbs. Regla de la Palanca. Reacciones Invariantes.

INTRODUCCIÓN Actualmente, muy pocos son los metales que se utilizan puros o casi puros, por ejemplo el cobre de 99,99% se usa en cables eléctricos y el aluminio de 99,99% (aluminio superpuro) se utiliza para fines decorativos. La mayoría de los metales usados en ingeniería son combinados con otros metales o no metales para conseguir una mayor dureza, mayor resistencia a la corrosión u otras propiedades.

ALEACIONES Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y dejando luego solidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina apreciable a simple vista o con el microscopio óptico.

CONSTITUYENTES Al solidificar la estructura de la aleación queda conformada por diferentes microconstituyentes o fases como son: 1. Metales Puros 2. Soluciones Sólidas 3. Mezclas Eutécticas 4. Compuestos Intermetálicos

CONSTITUYENTES METALES PUROS En el caso de metales insolubles, que no se pueden mezclar, al solidificarse permanecen puros. Por lo que microestructuralmente se presentarán en capas independientes. SOLUCIONES SOLIDAS Es un sólido que consta de dos o más elementos dispersos atómicamente en una estructura de fase única.

CONSTITUYENTES SOLUCIÓN SÓLIDA SUSTITUCIONAL: 1.-La diferencia entre los diámetros atómicos de los elementos no debe ser mayor del 15% de su diámetro. 2.-La estructura cristalina de los dos elementos debe ser la misma. 3.-No debe haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los dos elementos, a fin de evitar su reacción y que formen compuestos. 4.-Los dos elementos deben tener la misma valencia.

CONSTITUYENTES SOLUCIÓN SÓLIDA INTERSTICIAL: Los átomos de soluto se alojan en los intersticios de la red cristalina del solvente. Dependiendo del radio atómico del soluto se crean contracciones o dilataciones de la red

CONSTITUYENTES VENTAJAS:  Mayor dureza y resistencia a la tracción.  Menor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes. DESVENTAJAS: DESVENTAJAS: Disminución de la ductilidad, la tenacidad y la conductividad térmica y eléctrica.

CONSTITUYENTES MEZCLA EUTÉCTICA: Mezcla íntima de cristales, formada cada uno de ellos de un solo componente puro. Estas aleaciones son de poca aplicación práctica debido a sus bajas propiedades mecánicas. Por su baja temperatura de fusión, se emplean casi exclusivamente para la soldadura.

CONSTITUYENTES COMPUESTO INTERMETÁLICO: La diferencia entre solución sólida y compuestos intermetálicos es que en la primera la distribución de los átomos es aleatoria, mientras que en los compuestos intermetálicos, la distribución es concreta y definida formando compuestos químicos. Principales Características: Asociado a su alto punto de fusión, ofrecen rigidez, resistencia a la oxidación y a la fluencia. Poseen estructuras cristalinas ordenadas.

DIAGRAMAS DE FASES (EQUILIBRIO HETEROGÉNEO)  Sistema homogéneo: Una sola fase; unidades en composición química y estado físico.  Sistema heterogéneo: Varias fases física y químicamente diferentes.  Fase: Es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituyen.  Componente: Número de especies químicamente diferentes necesarias para describir la composición de cada fase. Un Componente varía su composición en forma independiente.

DIAGRAMAS DE FASES (EQUILIBRIO HETEROGÉNEO) Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento). Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición.

DIAGRAMAS DE FASES Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. Información que podemos obtener de los Diagramas de Fases:

DIAGRAMAS ISOMORFOS (SOLUBILIDAD SÓLIDA COMPLETA) Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos.

DIAGRAMAS ISOMORFOS (SOLUBILIDAD SÓLIDA COMPLETA)

Temperatura del Líquidus y Solidus: La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La temperatura de sólidus es la curva inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de sólidus. La diferencia de temperatura entre líquidus y sólidus se denomina rango de solidificación de la aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida.

REGLA DE FASES DE GIBBS Permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por: P+F=C+2 Donde: C = número de componentes del sistema P = número de fases presentes en el equilibrio F= número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición) 2 = número de variables de estado del sistema (T y P) En 1875 J. W Gibbs relacionó tres variables: fases(P), componentes(C), y grados de libertad o varianza (F) para sistemas multicomponentes en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración.

REGLA DE FASES DE GIBBS Grado de libertad (o varianza): Es el número de variables intensivas que pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de una nueva fase. Variables intensivas: Son aquellas independientes de la presión, temperatura y composición. También se define con el número de factores variables. F=0 Punto Invariante F=1 Punto Univariante F=2 Punto Bivariante

REGLA DE FASES DE GIBBS Características:  Se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: 1.- Equilibrio homogéneo en cada fase 2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes  No depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes.  El número de componentes más dos (C+2), representa el número máximo de fases que pueden coexistir al equilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a cero (a condiciones invariantes).

REGLA DE FASES DE GIBBS La mayoría de los Diagramas de Fases Binarios que se utilizan en Ciencias de los Materiales son diagramas de Temperatura vs Composición en los que la Presión se mantiene constante (1 atm). En este caso se utiliza la Regla de Fases Condensada: P+F=C+1

REGLA DE LA PALANCA Es usada para determinar las proporciones de las fases en equilíbrio en un campo de dos fases. Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener la cantidad de dicha fase. En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguiente forma: PORCENTAJE DE FASE = brazo opuesto de palanca x 100 Longitud total de la isoterma

REGLA DE LA PALANCA Pasos para calcular las composiciones: 1. Dibujar la isoterma. 2. Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada. 3. Dividir el largo total de la isoterma. 4. Multiplicar el resultado por 100.

REGLA DE LA PALANCA

Ejercicio: Una aleación de Cobre – Níquel contiene 40% en peso de Ni y está a 1250 °C. ¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida y qué porcentaje es sólida?

REACCIONES INVARIANTES

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