INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS. (Diagramas de fases) PROFESOR: QBA MIGUEL ANGEL CASTRO RAMÍREZ.

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1 INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS. (Diagramas de fases) PROFESOR: QBA MIGUEL ANGEL CASTRO RAMÍREZ

2 ¿Cuándo se solidifica una aleación como el latón, cuál elemento solidifica primero? ¿Es posible que coexistan los estados sólido, líquido y gaseoso de un material? ¿Por qué la adición de pequeñas cantidades de elementos de aleación aumentan la resistencia de los materiales metálicos?

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

4 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 Agua líquida Hielo Vapor de agua

5 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. Definición de Fase Parte de un sistema cuya composición (naturaleza y concentración de constituyentes) y organización atómica (estructura cristalina o amorfa) son fijas. Es decir, parte homogénea de un sistema cuyas características físicas y químicas son comunes.

6 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.

7 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

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

9 Diagrama de fases en equilibrio presión – temperatura, hierro puro

10 Regla de las fases de Gibbs Esta ecuación permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema P + F = C + 2 Donde P : número de fases que pueden coexistir en el sistema F : grados de libertad (presión, temperatura y composición) C : número de componentes en el sistema

11 Al aplicar la regla de las fases en el punto triple del diagrama de fases presión temperatura del agua pura resulta que coexisten tres fases en equilibrio (P = 3) y hay un componente, agua (C = 1) P + F = C + 2 3 + F = 1 + 2 F = 0 (cero grados de libertad) Esto indica que no se puede cambiar ninguna de las variables de forma independiente, por lo tanto el punto triple es un punto invariante

12 En cualquier punto sobre la curva de congelación sólido-líquido, coexisten dos fases, resultando: P + F = C + 2 2 + F = 1 + 2 F = 1 (un grado de libertad) Esto implica que una variable independiente se puede cambiar de forma independiente, por lo tanto si se especifica una presión determinada, solo hay una temperatura en la que las fases sólida y líquida coexisten

13 La mayor parte de los diagramas binarios utilizados en Ciencia de Materiales son diagramas temperatura composición, donde la presión se mantiene constante, a 1 atm. En este caso la regla de fases condensada, dada por: P + F = C + 1

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

15 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

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

17 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

18 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

19 Tipos de soluciones sólidas 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

20 Solución sólida sustitucional: 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

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22 Ejemplo:

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

24 Radio del mayor intersticio Fe FCC: 0,053 nm Radio del mayor intersticio Fe BCC: 0,036 nm Radio atómico C: 0,075 nm

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26 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.

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28 Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido

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31 a)Temperatura liquidus y solidus b)Fases presentes c)Composición de cada fase d)Cantidad de cada fase (regla de la palanca) e) Solidificación de aleaciones

32 a)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

33 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.

34 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.

35 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.

36 Ejemplo: Determine la composición de cada fase en una aleación de Ag - 45% Pd a 1450 ºC, 1300 ºC, 1250 ºC y 1000 ºC

37 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 C 0 a 1250°C, donde C  y C L representan la concentración de níquel en el sólido y en el líquido y W  y W L las fracciones de masa de las fases presentes.

38 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

39 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)

40 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.

41 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

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

43 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.

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

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46 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 (d) La microestructura

47 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.

48 El punto de intersección de las líneas liquidus, se denomina punto eutéctico. E 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.

49 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:

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

51 a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1

52 b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2

53 c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3

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55 Sistema Al-CuAl 2 Sistema Fe – C Eutéctico  - Fe 3 C

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

57 Ejemplo

58 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 (c) la cantidad de cada fase (d) la microestructura

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

61 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:

62 a) Aleaciones de solución sólida

63 b) Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad

64 c) Aleaciones hipoeutécticas

65 d) Aleación eutéctica

66 Ejemplos: 1) 2)

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

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

69 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?

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