DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO EN MATERIALES METÁLICOS

Presentación del tema: "DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO EN MATERIALES METÁLICOS"— Transcripción de la presentación:

1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO EN MATERIALES METÁLICOS
De líquido a sólido y de sólido a líquido

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3 SOLIDIFICACIÓN La mayor parte de los objetos metálicos se construyen a partir del material en estado líquido, enfriándolo en un molde con la forma definitiva. Las propiedades del material dependen en gran medida de la manera en que se lleva a cabo este proceso de solidificación.

4 Proceso de solidificación
Nucleación; formación de pequeños núcleos estables solidificados. Por lo general sobre la pared del molde o partículas de elementos de mayor punto de fusión (agentes nucleantes) Crecimiento; crecimiento de los núcleos estables hasta formar la estructura granular de los materiales metálicos.

5 Curva de enfriamiento de un metal puro

6 Nucleación

7 Crecimiento y formación de los granos

8 Subenfriamiento Material permanece en estado fundido por debajo de la temp de fusión por inercia.

9 Velocidad de solidificación
Debemos considerar dos velocidades, la de nucleación y la de crecimiento que dependen de dos factores: De la fuerza inductora Del mecanismo de difusión Velocidad de nucleación; nº de núcleos estables formados por unidad de tiempo, depende en mayor medida de la fuerza inductora del proceso (diferencia energética entre el estado sólido y el líquido) Velocidad de crecimiento; El papel más decisivo lo pone la difusión.

10 H = veloc. de nucleación y θm = veloc. de crecimiento

11 Diagramas de equilibrio o de fases
Una fase de un material es una parte homogénea del mismo que difiere de las demás en su composición , estado o estructura. La representación gráfica de las fases presentes en un material para diferentes temperaturas, presiones y composiciones se conoce con el nombre de diagrama de equilibrio o de fases.

12 Diagrama de fase del agua

13 Diagrama de fases del hierro

14 Regla de las fases de Gibbs
f = número de fases equilibio en existentes en el sistema g = número de grados de libertad del sistema c = número de componentes del sistema f + g = c +2 Si la presión es constante: f + g = c +1

15 Aplicando la regla de Gibbs al punto triple del agua:
f = 3 fases existentes en el sistema g = número de grados de libertad del sistema c = 1componente del sistema f + g = c g = g = 0 Esto significa que no se pueden variar la presión ni la temperatura sin que se modifiquen las fases del sistema.

16 Aplicando la regla de Gibbs al punto D :
f = 2 fases existentes en el sistema g = número de grados de libertad del sistema c = 1componente del sistema f + g = c g = g = 1 Esto significa que se pueden variar la presión o la temperatura sin que se modifiquen las fases del sistema.

17 Aplicando la regla de Gibbs al punto B :
f = 1 fases existentes en el sistema g = número de grados de libertad del sistema c = 1 componente del sistema f + g = c g = g = 2 Esto significa que se pueden variar la presión y la temperatura sin que se modifiquen las fases del sistema.

18 Diagrama de fases del hierro si la presión es constante

19 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES
Con solubilidad total

20 Curvas de enfriamiento en aleaciones

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22 Regla de la horizontal CLA % CLB % CA % CB % CSA % CSB %

23 La composición química de las dos fases se determina mediante la llamada regla de la horizontal: se traza una recta isoterma a la temperatura correspondiente al punto B y en sus puntos de corte con la línea de líquidos y sólidos se construyen rectas perpendiculares verticales, los puntos de intersección de estas últimas rectas con el eje de abscisas indican la composición de ambas fases.

24 En el punto C líquido 50% A, 50% B En el punto B sólido y líquido
75% 25 % 50% 50 % 15% 85 % En el punto C líquido 50% A, 50% B En el punto B sólido y líquido En el punto B en el líquido 75% A y 25% B En el punto B en el sólido 15% A y 85% B En el punto A sólido 50% A, 50% B

25 Regla de los segmentos inversos o regla de la palanca
B A CSA% CSB % CA% CB % CLA% CLB % L = (CSA – CA) / (CSA – CLA) S = 1 - L

26 L o S = Brazo inverso / total palanca
85% 15 % 50% 35% 65% L o S = Brazo inverso / total palanca L = (50 – 35) / (85- 35) = 0,7 S = 85 – 50 / =0,3

27 El diagrama de la figura corresponde a una aleación formada por los metales A y B, totalmente solubles en estado líquido y sólido. Si disponemos de 660 Kg. de aleación con el 60 % de B Calcular: a) Masa de sólido b) Masa de líquido c) Masa del metal A y B dentro del líquido d) Masa del metal Ay B dentro del sólido 510 500 484 50% 60% 78%

28 510 500 484 50% 60% 78% S = (60 – 50) / (78 – 50) = 0,357 MS = 660 * 0,357 = 235, 62 Kg. L = (78 – 60) / (78 – 50) = 0,643 ML = 660 * 0,643 = 424,38 Kg.

29 510 500 484 50% 60% 78% MAL = 424,38 * 0,5 = 212, 19 Kg. de A en liq. MBL = 424,38 * 0,5 = 212, 19 Kg. de B en liq. MAS = 235, 62 * 0,22 = 51, 836 Kg. de A en sol. MBS = 235, 62 * 0,78 = 183,783 Kg. de B en sol.

30 ALEACIONES EUTÉCTICAS
Se forma una aleación eutética cuando una determinada composición química posee una alta estabilidad en estado líquido, de tal forma que solidifica a una temperatura más baja que sus componentes puros.

31 La denominación punto eutéctico proviene etimológicamente del griego, de fusión fácil.

32 En el punto eutéctico se produce la solidificación a temperatura constante

33 En el punto eutéctico coexisten las fases sólidas de los elementos A y B y la fase líquida.

34 A B Si los elementos A y B son totalmente insolubles en estado sólido en un mismo grano no se mezclan átomos de A y de B, normalmente las dos fases A y B se disponen en forma de láminas entremezcladas.

35 HIPOEUTÉCTICAS HIPEREUTÉCTICAS P. EUTÉCTICO Las aleaciones situadas a la izquierda del punto eutéctico se denominan hipoeutécticas, las que están situadas a la derecha se denominan hipereutécticas.

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37 Aleaciones hipoeutécticas
Cuando cruzamos la línea de líquidos tenemos una mezcla de sólido y líquido. Todo el sólido que aparece en esta zona es del metal A

38 A A A medida que disminuye la temperatura va apareciendo mayor cantidad de sólido pero este sólido es solamente del metal A.

39 A A Al llegar a la temperatura del punto eutéctico la composición del líquido se iguala a la del punto eutéctico y la aleación se comporta como si estuviésemos en ese punto.

40 B A A A A partir de ese punto se empiezan a solidificar de forma alternada el sólido A y el B. En los granos puedo tener “tiras” de A y B, pero estas no se entremezclan.

41 Aleaciones hipereutécticas
B B Cuando cruzamos la línea de líquidos tenemos una mezcla de sólido y líquido. Todo el sólido que aparece en esta zona es del metal B

42 B B A medida que disminuye la temperatura va apareciendo mayor cantidad de sólido pero este sólido es solamente del metal B.

43 B B Al llegar a la temperatura del punto eutéctico la composición del líquido se iguala a a la del punto eutéctico y la aleación se comporta como si estuviésemos en ese punto.

44 A B B B A partir de ese punto se empiezan a solidificar de forma alternada el sólido B y el A. En los granos puedo tener “tiras” de A y B, pero estas no se entremezclan.

45 ¿Cómo realizo los cálculos en los diagramas eutécticos?
¿Funcionan en este caso las reglas que conocíamos para los diagramas de aleaciones totalmente solubles? Para los diagramas eutécticos siguen siendo validas las reglas de la horizontal y la de los segmentos inversos

46 ¿Dónde está la línea de sólidos?
Línea de líquidus En estos diagramas identificamos fácilmente la línea de líquidos pero ¿Dónde está la línea de sólidos?

47 Líquido + Sólido Sólido La línea de sólidus separa la zonas en que hay mezcla de sólido y líquido de la que solamente hay sólido. En el caso de los diagramas eutécticos esta frontera entre la zona en la que coexisten sólido y líquido y la que solamente hay sólido viene dada por la horizontal de la temperatura del punto eutéctico. Esta línea a veces la encontramos dibujada en los diagramas y a veces no.

48 ¿Dónde me corta a la línea de sólidos?
Cuando pretendemos aplicar la regla de la horizontal o la regla de los segmentos inversos comprobamos que la horizontal que pasa por el punto es paralela a la línea que podemos considerar como línea de sólidus.

49 100 % B 0% A Ahora los ejes verticales de las temperaturas van a hacer el papel de línea de sólidus.

50 100 % B 0% A Si la aleación es hipereutéctica el sólido tendrá un 100% de B y un 0% de A. Si asignamos al eje de temperaturas el papel de línea de sólidos vemos que al cortar la horizontal por el punto al eje resulta que determinamos que en el sólido hay 0% de A y 100% de B.

51 100 % B 0% A Con el mismo criterio podemos definir los tramos para aplicar la regla de la palanca.

52 100 % A 0% B Si la aleación es hipoeutéctica el sólido tendrá un 100% de A y un 0% de B. Si asignamos al eje de temperaturas el papel de línea de sólidus vemos que al cortar la horizontal por el punto al eje resulta que determinamos que en el sólido hay 100% de A y 0% de B.

53 100 % A 0% B Con el mismo criterio podemos definir los tramos para aplicar la regla de la palanca.

54 El diagrama de la figura corresponde a una aleación formada por dos metales A y B, totalmente solubles en estado líquido y totalmente insolubles en estado sólido. Si disponemos de 3000 Kg. De aleación con el 50% del metal A, calcular al atravesar el punto eutéctico a) La masa de metal líquido que solidifica b) Masa del metal A y B dentro del líquido formado

55 S = (50 – 35)) / (100 – 35) = 0,231 L = (100 – 50) / (100 – 35) = 0,769

56 MS = 3000 * 0,231 = 693 Kg. ML = 3000 * 0,769 = 2307 Kg. MLsol = ML = 2307 Kg. MAL = 2307 * 0,65 = 1500 Kg. de A en liq. MBL = 2307 * 0,35 = 807 Kg. de B en liq.

57 Diagramas de equilibrio de aleaciones eutécticas con solubilidad parcial
En estado sólido la composición del sólido varía debido al fenómeno de difusión y a la solubilidad parcial que se da en este estado.

58 En la mezcla de líquido y sólido el comportamiento de la aleación es similar al de las totalmente insolubles.

59 Lo que llamamos sólido α es sólido constituido fundamentalmente por átomos de A.
Lo que llamamos sólido β es sólido constituido principalmente por átomos de B

60 Al ser parcialmente soluble la aleación ,se pueden mezclar átomos de A y B.

61 En la zona del sólido existen líneas del diagrama porque a medida que varía la temperatura, la distribución de las fases α y β varía por efecto del fenómeno de difusión.

62 En la zona de sólido siguen funcionando las reglas de la palanca y de la horizontal, pero referido a las fases α y β.

63 Para la composición I la aleación permanece en estado líquido hasta el punto eutéctico. En el punto eutéctico se solidifican de forma alternada el sólido α y β

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65 Para la composición II, en la mezcla de sólido y líquido se forma solamente sólido α hasta llegar a la horizontal del punto eutéctico. En el punto eutéctico solidifican de forma alternada sólido α y sólido β.

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67 Para la composición III, en la mezcla de sólido y líquido se forma solamente sólido α hasta llegar a la línea de sólidos. Cruzando este línea solamente tenemos sólido α.

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69 Calcular el porcentaje dentro del eutéctico de las fases α y β a la temperatura de su formación, de acuerdo con el diagrama de equilibrio de la figura. 1000 780 800 7,9 71,9 91,2 600

70 1000 780 800 7,9 71,9 91,2 600

71 α = (91,2 – 71,9 / 91,2- 7,9) * = 23,17 % β = (72,9 – 7,9 / 91,2- 7,9 ) * 100 = 76,83 %

72 Solidificación de no equilibrio
El diagrama teórico es para un enfriamiento muy lento. En los procesos industriales las velocidades de solidificación no son infinitamente lentos, por lo que el “diagrama teórico” no coincide con el real.

73 Con un enfriamiento muy lento para una temperatura T1 se forma un sólido de composición α1. Cuando se ha enfriado a una temperatura T2 la aleación se forman núcleos de composición α2 . Cuando el enfriamiento es rápido no hay tiempo para que se produzca el fenómeno de difusión y el sólido a temperatura T2 tiene un núcleo con composición α1 y una periferia con composición α2 , por tanto la composición global α´ será intermedia entre las dos.

74 El intervalo de temperaturas de solidificación aumenta, ya que la temperatura final de solidificación disminuye.

75 La curva de sólidos se desplaza a la izquierda.

76 La composición de los granos no es homogénea
La composición de los granos no es homogénea. Las juntas de grano no son homogéneas. Las juntas de grano se encuentran enriquecidas en el elemento de menor punto de fusión. Este efecto se conoce como segregación microscópicas.

77 Con enfriamiento lento
A medida que disminuye la temperatura, en los núcleos ya formados los átomos de A se difunden hacia el exterior y los de B hacia el interior dando lugar a una composición uniforme.

78 Con enfriamiento rápido
No hay tiempo para que los átomos se difundan el núcleo de los granos será muy rico en átomos de A y la periferia en átomos de B.

79 La eliminación de la segregación se realiza mediante un tratamiento térmico denominado recocido de homogeneización.

80 En el recocido de homogeneización calentamos el metal por debajo de la temperatura de fusión, pero a una temperatura lo bastante elevada para que pueda producirse el fenómeno de difusión. Mantenemos el metal a esa temperatura el tiempo suficiente para que pueda producirse el fenómeno de difusión. Finalmente enfriamos el metal de forma lenta.

81 En las aleaciones eutécticas se produce un fenómeno muy similar al que hemos descrito para las aleaciones totalmente solubles en estado líquido y en estado sólido.

82 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO
La estructura resultante de la solidificación solo en contadas ocasiones se mantiene hasta la temperatura ambiente, siendo lo más frecuente que en el transcurso del enfriamiento ocurran transformaciones en estado sólido.

83 La diferencia fundamental entre las transformaciones que se han estudiado hasta ahora y las que tienen lugar en estado sólido radica en la cinética del proceso correspondiente, ya que estas transformaciones en estado sólido, debido a los fenómenos de difusión atómica, son mucho más lentas, aunque también se verifican según un mecanismo de nucleación y crecimiento, al igual que ocurría en la solidificación. Un ejemplo de transformación en estado sólido lo constituyen las transformaciones alotrópicas, en las que un metal cristaliza en una estructura α por debajo de una determinada temperatura (T0), mientras que por encima de ella su estructura cristalográfica más estable es la β. A la temperatura T0 coexisten las dos fases α y β. Para estudiar las transformaciones en estado sólido se suelen utilizar las curvas temperatura- tiempo- transformación (TTT) o curvas en C.

84 Enfriamos el metal de forma brusca desde una temperatura superior a T0 hasta T1, el tiempo que es necesario que transcurra hasta que se inicie la transformación es t1 y el tiempo transcurrido hasta que la transformación finaliza es t2. T0 α+β α β T1 t1 t2

85 Si repetimos el proceso enfriando el metal de forma brusca desde una temperatura superior a T0 hasta otras temperaturas, y observando los tiempos para los que cambian las fases, vamos obteniendo diverso puntos de la curva TTT. T0 T1 α+β α β t1 t2

86 Si repetimos el proceso enfriando el metal de forma brusca desde una temperatura superior a T0 hasta otras temperaturas, y observando los tiempos para los que cambian las fases, vamos obteniendo diverso puntos de la curva TTT. T0 α α+β β T1 t1 t2

87 Uniendo los distintos puntos obtendremos las curvas TTT o curvas en C.
α α+β β T1 t1 t2

88 En la curvas en C existen 3 zonas:
α α+β β T1 t1 t2

89 Una en que la fase β está presente en situación metaestable (no es estable, y en el transcurso del tiempo se transformará). T0 α α+β β T1 t1 t2

90 Otra zona donde esta teniendo lugar la transformación.
α α+β β T1 t1 t2

91 Una última zona constituida por la fase α, ya estable.
α+β β T1 t1 t2

92 Si un metal que experimenta una transformación alotrópica se alea con otro, la forma en que se produce esta transformación se modifica sustancialmente en dos aspectos: La temperatura varía La transformación tiene lugar en un intervalo de temperaturas que no se mantiene constante.

93 En el caso a) el elemento B es un material betageno, ya que ayuda a estabilizar la fase β.

94 β En el caso a) si aumentamos la proporción de B, la aleación “tiende” a permanecer en la fase β y necesitamos enfriarla más para que comience la transformación.

95 En el caso b) el elemento B es un material alfágeno, ya que ayuda a estabilizar la fase α.

96 β β En el caso b) cuanto más alta es la proporción de B menos hay que enfriar para que comience la transformación.

97 Disminución del tamaño de grano
Entre las consecuencias importantes de una transformación alotrópica y , en general de cualquier transformación en estado sólido, se pueden citar las siguientes: Disminución del tamaño de grano β α α α

98 La nueva cristalización reduce la anisotropía, es decir que las propiedades del material sean diferentes según la dirección en la que se estudien.

99 En la estructura anterior las impurezas se encontraban situadas en las juntas de grano, por ser éste el último lugar ocupado por el líquido antes de solidificar totalmente. La transformación alotrópica comienza la nucleación de impurezas existentes en las juntas de grano de la estructura antigua. Por eso después de la transformación alotrópica las impurezas quedan situadas en el interior de los nuevos granos, lo que supone una mejora en las propiedades mecánicas del material al poseer la aleación juntas de grano más resistentes.

100 β

101 β α

102 Otra de las transformaciones en estado sólido más habituales es la denominada transformación eutectoide, de características muy similares a la eutéctica, con la salvedad de lo que antes era líquido y ahora se trata de una tercera fase sólida.

103 Mientras se produce la transformación eutectoide la temperatura se mantiene constante, el número de grados de libertad es 0 y la aleación de composición eutectoide estará formada por láminas muy finas de las fases α y β

104 Las aleaciones situadas a la izquierda del punto eutectoide se denominan hipoeutectoides y las situadas a la derecha hipereutectoides. HIPOEUTECTOIDES HIPEREUTECTOIDES

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106 Las aleaciones metálicas que sufren este tipo de transformaciones son susceptibles de endurecimiento mediante un tratamiento térmico denominado envejecimiento. Por medio del envejecimiento se persigue que la segunda fase (β en este caso) precipite en forma de partículas muy finas distribuidas de forma homogénea a lo largo de la fase matriz α, con lo que el movimiento de las dislocaciones se verá considerablemente dificultado; de ahí el aumento de dureza que se produce.

107 El envejecimiento consta de tres fases:
Puesta en solución Hipertemple Maduración