Diagramas de fases

Regla de fases F+L=C+2 Sistema: Porción del universo material que pueda aislarse del resto para considerar los cambios que puedan ocurrir en su interior y bajo condiciones variantes Fase: Cualquier porción del sistema físicamente homogénea y separada por una superficie mecánicamente separable de otras porciones Componentes: Menor numero de variables independientes por medio de las cuales la composición del sistema puede expresarse cuantitativamente. Varianza o grados de libertad: Número de variables que se pueden cambiar independientemente sin alterar el estado de la fase o fases en equilibrio al tipo de sistemas en consideración

Diagrama de equilibrio del agua

SISTEMAS DE 1 COMPONENTE

CAMBIOS VOLUMÉTRICOS

SISTEMAS DE DOS COMPONENTES Sólido α + Sólido β ↔ Líquido EUTÉCTICO Sólido α ↔ Sólido β + Líquido PERITÉCTICO Sólido + Líquido 1 ↔ Líquido 2 MONOTÉCTICO Sólido ↔ Líquido 1 + Líquido 2 SINTÉCTICA Sólido α + Líquido ↔ Sólido β METATÉCTICO Sólido γ + Sólido β ↔ Sólido α EUTECTOIDE Sólido γ ↔ Sólido β + Sólido α PERITECTOIDE Sólido β + Sólido α2 ↔ Sólido α1 MONOTECTOIDE

INSOLUBILIDAD TOTAL A Y B CARECEN DE AFINIDAD TB’ A B m T L (A + B) TB S (A + B) L (A) + S (B) x TB’ A B m

Si entre A y B existe afinidad química para formar AxBy SA+SC SB+SC lC TC TB TA SA LA+SC lA lB SB LB+SC L(A+B)

Si entre A y B existe afinidad eutéctica m SA+C SC SB+C SB TB’ lA TB SA T B Y C=A+B A TC TA LA+B LA+B + SB LA+B + SA

SOLUBILIDAD TOTAL Sistemas isomorfos La estructura cristalina de cada elemento de la solución sólida debe ser la misma El tamaño de los átomos de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más de un 15%. Los elementos no deben formar compuestos entre si, o sea que no debe haber diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos elementos. Los elementos deben tener la misma valencia

SOLUBILIDAD TOTAL Sistemas isomorfos Xl + Xs = 1 (1) Xl = 1 – Xs (1A) Xs = 1 - Xl (2A) Gramos de B en la mezcla bifásica = gramos de B en la fase liquida + gramos de B en la fase sólida. (1g)(1) (%W0/100) = (1g)Xl (%Wl/100) + (1g)Xs(%Ws/100) (3) W0 = XlWl + XsWs (4) Reemplazando (1A) en (4) tenemos: W0 = (1-Xs)Wl + XsWs (5) W0 = Wl – XsWl + XsWs (6) Ordenando los términos: XsWs – XsWl = W0 – Wl (7) Por lo tanto, la fracción de peso de la fase sólida está dada por Xs = W0 – Wl / Ws - Wl (8) Y análogamente: Xl = Ws – W0 / Ws – Wl (9)

Líquido E  Sólido 1 + Sólido 2 Soldadura Metales antifricción Electrónica Perfiles para vitrales

Reacción peritéctica binaria Líquido + Sólido   Sólido 

Reacción peritéctica

Aplicaciones de la aleación Pt-Ag Trabajos de orfebrería: 2 partes de plata y 1 de platino. Metal de aspecto blanco, que pueda ser pulido y con un punto de fusión bajo. La plata resulta mas dura con la adición de Platino y más oscura (17-35% de Pt). Laboratorios dentales

Ferrita-α Puede disolver en forma de solución sólida un máximo de 0,02% en peso de carbono a 723oC. A medida que la temperatura disminuye, la solubilidad del carbono también disminuye, siendo de 0,005% a 0oC. Tiene aproximadamente una resistencia máxima a la rotura de 280 MPa, un alargamiento del 35% y una dureza de 90 unidades Brinell. Es la forma más blanda de todos los constituyentes del acero, muy dúctil y maleable, además de magnética. Cementita

Austenita (γ) Es una solución sólida intersticial carbono en hierro γ. El hierro γ tiene una estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en estado sólido para el carbono que la ferrita α. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en la austenita es del 2,08% a 1.148oC y disminuye a un 0,8% a 723oC La austenita posee una resistencia que oscila entre 850 y 1000 MPa, un alargamiento de 30-60% y una dureza de 300 unidades Brinell. Es blanda, muy dúctil y tenaz. Es amagnética. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros.

Cementita (Fe3C): Es un compuesto intersticial duro y quebradizo. Tienen límites despreciables de solubilidad y una composición del 6,67% en carbono y 93,3% en hierro.  Es débilmente ferromagnética a baja temperatura, perdiendo sus propiedades magnéticas a 217oC.

Ferrita-δ Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro δ. Tiene estructura cristalina BCC como la ferrita α pero con una constante de red mayor. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en ferrita δ es del 0.09% a 1.465 oC.

a 1.495oC tiene lugar una reacción peritéctica Líquido (0,53% C) + Ferrita-δ (0,09% C)     »       Austenita (γ) (0,17% C) a 1.148oC tiene lugar una reacción eutéctica Líquido (4,3% C)    »    Austenita (γ) (2,08% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C) a 723oC tiene lugar una reacción eutectoide Austenita (γ) (0,8% C)      »    Ferrita-α (0,02% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C) 

Un acero eutectoide del 0,8% C se enfría lentamente desde 750 oC hasta una temperatura ligeramente inferior a 723 oC. Calcular el porcentaje en peso de ferrita eutectoide y de cementita que se forma.  Un acero de un 0,8% C (eutectoide) justo por encima de la temperatura eutectoide (723oC) se encuentra 100 % en fase de austenita. Si se enfría muy lentamente hasta temperatura eutectoide -o justo por debajo de ésta-, se provocará la transformación de la estructura total de la austenita en una estructura laminar de placas alternadas de ferrita-α y cementita (Fe3C). Esta estructura eutectoide recibe el nombre de perlita. La estructura perlítica se mantendrá prácticamente invariable si continua el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.

Un acero al carbono hipoeutectoide del 0,4%C se enfría lentamente desde aproximadamente 900oC. Realizar un análisis de fases a partir del diagrama de fases de la figura en los siguientes puntos: i) 900oC ii) 723oC+∆T iii) 723oC-∆T

Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni, haga el análisis de fases para una aleación del 50% de Cu a: 1400ºC, 1300ºC, 1200ºC 1100ºC.