DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS UNIDAD 5 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS (Diagramas de fases)

En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones. Monofásica Polifásica Aleación Aleación monofásica Aleación polifásica

Definición de Fase Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción. Una fase tiene las siguientes características: La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material. Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior. Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases circundantes.

Fase Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una región que difiere en estructura y/o composición de otra región. Agua líquida Hielo Vapor de agua agua

Diagramas de fases Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información: Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se presenta la solidificación. Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.

Diagrama de fases en equilibrio presión -temperatura para el agua Diagramas de fases de sustancias puras Una sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida y vapor, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Diagrama de fases en equilibrio presión -temperatura para el agua

Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio (coexisten) tres fases de un material Diagrama presión-temperatura carbono

Diagrama de fases en equilibrio presión – temperatura, hierro puro

Es importante conocer el comportamiento de un material con la temperatura. Tres ejemplos: - Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante el frío invierno, no habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a sufrir las consecuencias del frío. A -40 ºC, los aceros pueden contraerse entre 1 - 4%, en función del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un tubito por donde sale una bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha encogido 2 ó 3mm…

- El PTFE, (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta los 270ºC, sin perder sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por qué no más allá? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a carbonizarse, y a emitir unos vapores que son bastante tóxicos.

- En los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su capacidad de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Cuando se recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, se realizaron los ensayos para determinar la temperatura de transición del acero utilizado, determinando que era -15 ºC. Así que el empleo de ese material, la temperatura del agua por donde andaban, además de otros detalles estructurales como las uniones entre planchas, provocó la ruptura del casco, y el hundimiento del barco. La culpa no fue solamente el choque contra el iceberg.

Solubilidad y soluciones sólidas Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo cuando se agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar soluciones sólidas o líquidas.

Solución sólida: Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de composición variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad). Solubilidad de soluciones sólidas: Solubilidad total (completa) Solubilidad parcial o limitada Insolubilidad total Mezcla: formada por dos o más fases, cuyas características se mantienen cuando se forma la mezcla.

a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total

a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleaciones sólidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que contienen más de 30% de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad limitada del Zn en el Cu

Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada Límite de solubilidad Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solución sólida. Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada

TIPOS DE SOLUCION SOLIDA Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas especies químicas, se dividen en dos tipos: a) INTERSTICIALES Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar espacios abiertos entre átomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL. b) SUSTITUCIONAL. Es cuando los átomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos reticulares del solvente, siendo la distribución al azar.

Solución sólida sustitucional: los átomos de B ocupan posiciones de la red A Solución sólida intersticial: los átomos B ocupan posiciones intersticiales de la red A

Soluciones sólidas sustitucionales: En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen en términos de posición, a los átomos de la matriz. Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de Hume- Rothery: El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más del 15%,para minimizar la deformación de la red. Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no debe haber diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento. Los elementos deben tener la misma valencia. La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe ser la misma

Ejemplo:

Solución sólida intersticial: En las soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto se sitúan en los intersticios que hay entre los átomos del cristal.

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Se tienen 3 tipos de diagramas: Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al estado sólido.

Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido

Información de los diagramas de fases Temperatura liquidus y solidus Fases presentes Composición de cada fase Cantidad de cada fase (regla de la palanca) Solidificación de aleaciones

Temperatura liquidus y solidus La temperatura liquidus o de líquido se define como aquella arriba de la cual un material es totalmente líquido. La temperatura solidus o de sólido, es aquella por debajo de la cual esa aleación es 100% sólida La diferencia de temperaturas entre la de líquido y la de sólido es el intervalo de solidificación de la aleación

b) Fases presentes El diagrama de fases puede considerarse como un mapa de caminos; si se conocen las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se pueden determinar las fases que se encuentren presentes.

c) Composición de cada fase Cada fase presente en una aleación tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada elemento en la fase. Cuando se encuentra presente sólo una fase en la aleación, la composición de la fase es igual a la composición general de la aleación. Cuando coexisten dos fases, como líquido y sólido, la composición de ambas difiere de la composición general original. Usualmente la composición está expresada en porcentaje en peso.

c) Composición de cada fase Se utiliza una línea de enlace o isoterma para determinar la composición de las dos fases Una línea de enlace o isoterma es una línea horizontal en una región de dos fases, que se traza a la temperatura de interés. Los extremos de la isoterma representan la composición de las dos fases en equilibrio.

Ejemplo: Determine la composición de cada fase en una aleación Bi – 50% Sb a 550 ºC, 400 ºC, 350 ºC y 300 ºC

d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca) Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación Considere el diagrama de fases del cobre-níquel y la aleación de composición C0 a 1250°C, donde C y CL representan la concentración de níquel en el sólido y en el líquido y W y WL las fracciones de masa de las fases presentes.

La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de conservación de la masa: En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las fracciones de las fases presentes debe ser la unidad: En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir con la masa total de la aleación Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la expresión de la regla de la palanca para esta situación particular

En general, la regla de la palanca se puede enunciar como: Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos fases de un diagrama de fases binario. Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una fase en una mezcla de dos fases. Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es decir, la concentración química de los distintos componentes)

Ejemplos: 1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni que se adjunta, describir el enfriamiento lento de una aleación de 30% de Ni y determinar su composición a 1200 ºC. 2. Una aleación compuesta de 2 kg de Cu y 2 kg de Ni se fundió y posteriormente se enfrió lentamente hasta 1300 ºC. Utilizando el diagrama de equilibrio Cu-Ni, calcular la concentración y el peso de las fases presentes a dicha temperatura. 3. En el sistema Cu-Ni, haga el análisis de fase para una aleación 50% de Cu a: 1400 ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.

e) Solidificación de una aleación Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de solidificación: Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre según el diagrama de equilibrio de fases. En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se produce una distribución no homogénea del soluto en el sólido, esto es conocido como segregación.

e) Solidificación de una aleación en el equilibrio Acero de baja aleación Cambio de la estructura de una aleación Cu – 40% Ni durante su solidificación

Solidificación fuera de equilibrio y segregación: Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos o a lo más unas pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio no se logran. Al solidificar el metal se producen gradientes de concentración que no logran equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone, originando pérdidas de propiedades mecánicas.

Ejemplo Para las aleaciones NiO-30% mol MgO, NiO-45% mol MgO y NiO-85% mol MgO Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo de solidificación Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cada fase a 2400 ºC

Ejemplo Considere una aleación, cuya composición promedio contienen 60% de antimonio. Comenzando a 550 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 300 ºC, suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determine: (a) Las fases presentes (b) La composición y cantidad de cada fase (c) La microestructura

Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles uno en otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden considerarse como insolubles.

El punto de intersección de las líneas liquidus, se denomina punto eutéctico. La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificación del eutéctico La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como composición eutéctica.

Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en dos fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica y se escribe:

Aleación 1: aleación eutéctica Aleación 3: aleación hipoeutéctica Aleación 2: aleación hipereutéctica

a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1

b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2

c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3

Sistema Al-CuAl2 Sistema Fe – C Eutéctico  - Fe3C

Aleación hipereutéctica Al-Si (Silicio primario) Aleación hipereutéctica Fe-C (cementita primaria)

Ejemplo

Ejemplo Para las aleaciones As-15% Au, aleación de composición eutéctica y As-85% Au, Comenzando a 1100 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 500 ºC, suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determinar (a) las fases presentes (b) la composición de cada fase la cantidad de cada fase la microestructura

Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles al estado sólido

Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad máxima (solución saturada) de B en A (solución ) o de A en B (solución ) en función de la temperatura. El punto E, como en el tipo II, es el punto eutéctico Reacción eutéctica:

a) Aleaciones de solución sólida

b) Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad

c) Aleaciones hipoeutécticas

d) Aleación eutéctica

Ejemplo Ejemplos: 1) 2)

Ejemplo En una aleación Pb-15% Sn que se solidifica lentamente, determine: La composición del primer sólido que se forma La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de solidificación Las cantidades y composiciones de cada fase a 260 ºC Las cantidades y composiciones de cada fase a 183 ºC Las cantidades y composiciones de cada fase a 184 ºC Las cantidades y composiciones de cada fase a 182 ºC Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºC Repetir de a hasta g para una aleación Pb-70% Sn

Ejemplo En una aleación Cu-10% Ag que se solidifica lentamente, determine: La composición del primer sólido que se forma La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de solidificación Las cantidades y composiciones de cada fase a 1000 ºC Las cantidades y composiciones de cada fase a 850 ºC Las cantidades y composiciones de cada fase a 781 ºC Las cantidades y composiciones de cada fase a 779 ºC Las cantidades y composición de cada fase a 600 ºC Repetir de a hasta g para :aleación Cu-30% Ag y Cu-80% Ag

Ejemplo: Considere 1 kg de una aleación de moldeo de aluminio con un 10% en peso de Si. a) ¿Cuál es la primera fase sólida y cual es su composición? b) ¿A qué temperatura solidificará completamente la aleación? c)¿Qué cantidad de fase proeutéctica se encontrará en la microestructura? d) ¿Cómo se distribuye el silicio en la microestructura a 576 ºC?