DIAGRAMAS DE FASES EN EQUILIBRIO

DIAGRAMAS DE FASES EN EQUILIBRIO
CAPITULO III DIAGRAMAS DE FASES EN EQUILIBRIO

Solidificación de los metales puros
La solidificación requiere de dos pasos: 1.- Nucleación.- Ocurre cuando una pequeña partícula sólida se forma dentro del líquido. La nucleación heterogénea se refiere cuando las impurezas que están en contacto con el líquido, ya sea suspendidas en él o en las paredes del recipiente, proporciona una superficie en donde se pueda formar el sólido. Todos los metales y aleaciones de uso en ingeniería se nuclean heterogéneamente. Algunas veces se introducen intencionalmente impurezas en el líquido. Tales prácticas en los metales son llamadas refinamiento del grano o inoculación.

Solidificación de los metales puros
2.- Crecimiento.- El crecimiento del sólido ocurre cuando los átomos del líquido se unen al sólido diminuto hasta que se acabe el líquido. En los metales puros, el crecimiento depende de la forma en que se extrae el calor del sistema sólido-líquido. Se debe liberar dos tipos de calor: el calor específico del líquido y el calor latente de fusión. El calor específico debe eliminarse primero, usualmente, por conducción hacia el molde, hasta que el líquido se enfría a la temperatura de solidificación. El calor latente de fusión debe eliminarse de la interficie sólido-líquido antes de que se complete la solidificación. La manera en la cual se libera el calor latente de fusión determina el mecanismo de crecimiento y la estructura final.

Curva de enfriamiento El metal líquido se vierte en un molde a la temperatura de vaciado. La diferencia entre esta temperatura y la temperatura de solidificación es el sobrecalentamiento. El metal líquido se enfría cuando el calor específico del líquido es liberado por el molde; la pendiente de la curva de enfriamiento antes de que inicie la solidificación es la rapidez de enfriamiento. En la siguiente figura se aprecia la curva de enfriamiento de un metal puro, la solidificación se inicia a la temperatura al cambio de estado sólido. Se produce una estabilización térmica, o meseta, debido a la generación del calor latente de fusión. El calor latente mantiene al líquido remanente a la temperatura de solidificación hasta que todo el líquido se ha solidificado y no puede generarse más calor.

Curva de enfriamiento

Macroestructura Durante el proceso de solidificación, la fundición (lingotes) desarrolla una macroestructura que puede constar de tres zonas, dependiendo del tipo de grano que se ha desarrollado durante el enfriamiento y su ubicación, como son: Zona fría (chill).- Es una banda estrecha de granos orientados aleatoriamente en la superficie de la fundición. El metal que está en la pared del molde es el primero en enfriarse debido al gran sobreenfriamiento que sufre el metal líquido al entrar en contacto con el molde frío. Debido a esto la nucleación será heterogénea y su velocidad rápida, produciendo una abundante nucleación de cristales pequeños más o menos equiaxiales y de crecimiento dendrítico. La extensión de la zona chill depende de las varias condiciones tales como: Material del molde Temperatura del líquido al verterlo en el molde Temperatura del molde Conductividad térmica del molde

Macroestructura Zona columnar.- Contiene granos alargados orientados en una dirección cristalográfica particular. Conforme el molde libera calor de la fundición, los granos en la zona fría empiezan a crecer en la dirección opuesta al flujo de calor. En metales CC y CCC; se desarrollarán más aquellos granos con direcciones de crecimiento rápido paralelas a la dirección de extracción de calor. La existencia de una zona columnar produce orientaciones preferenciales de los cristales en el lingote y por consiguiente produce anisotropía de las propiedades mecánicas, lo que hace indispensable la deformación plástica posterior.

Macroestructura

Macroestructura Zona equiaxial.- Contiene granos nuevos orientados aleatoriamente, originados a menudo por una baja temperatura de vaciado, elementos de aleación, o agentes inoculantes o refinadores de grano. Tales granos son relativamente redondos o equiaxiales.

Soluciones sólidas y endurecimiento
Fase.- Es un estado homogéneo distinguible: gaseoso, liquido o sólido. Una fase tiene las siguientes características: (a) la misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material; (b) una fase tiene la misma composición y propiedades; y (c) hay una interficie definida entre la fase y cualquiera otra fase circundante. Por ejemplo, una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólido, líquido y gas, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Un ejemplo familiar para todos de dos fases de una sustancia pura en equilibrio es un vaso de agua con cubos de hielo. En este caso el agua, sólida y líquida, da lugar a dos fases distintas separadas por una fase límite, la superficie de los cubos de hielo. Metal puro.- El estado sólido se transforma en estado liquido en el punto de fusión; esta transformación se puede representar mediante una línea con la temperatura como única variable porque la composición es constante.

Diagrama de fases del metal puro

Aleación.- Mezcla de dos o mas materiales, si mezclamos A y B, surge otra variable que se trata de la composición la cual se representa mediante una línea horizontal que conecta las dos líneas verticales para formar un diagrama binario.

Solubilidad.- Al mezclar dos elementos se pueden apreciar diferentes situaciones, al sólido presente en mayor concentración se denomina matriz, y el sólido que se agrega se denomina soluto. El interés es determinar la cantidad de cada material que se puede combinar sin producir una fase adicional. En otras palabras, la atención se enfocará en la solubilidad de un material en otro. Las características de la matriz y del soluto determinan: a.- Solubilidad ilimitada: Sólo se produce una fase sin importar la proporción de la mezcla. ejemplos: agua y alcohol. De manera similar, si se mezcla cualquier cantidad de cobre líquido y de níquel líquido, sólo se obtendrá una sola fase líquida. La aleación de líquido tendrá la misma composición, propiedades y estructura en todas partes (Figura), porque el níquel y el cobre tienen solubilidad líquida ilimitada. Si la aleación líquida cobre-níquel se solidifica y se enfría a temperatura ambiente, sólo se produce una fase sólida.

Después de la solidificación, los átomos de cobre y de níquel no se separan, sino que, en vez de ello, se localizan de manera aleatoria en los puntos de la red CCC. En el interior de la fase sólida, la estructura, propiedades y composición son uniformes y no existe interfase alguna entre los átomos de cobre y de níquel. Por tanto, el cobre y el níquel también tienen solubilidad sólida ilimitada. La fase sólida es una solución sólida.

b.- Solubilidad limitada: Cuando se añade una pequeña cantidad de sal (una fase) al agua (segunda fase) y agitamos, la sal se disuelve completamente en el agua. Se presenta una sola fase: agua salada. Sin embargo, si se añade demasiada sal al agua, la sal excedente se precipita en el fondo del vaso. Ahora tenemos dos fases: agua saturada de sal y sal sólida excedente. De manera similar, cuando se adiciona un poco de zinc líquido al cobre liquido se produce una solución sólida simple (estructura CCC). Sin embargo, si la solución liquida contiene más del 40% de Zn, los átomos excedentes de zinc se combinan con algunos de los átomos de cobre para formar un compuesto de CuZn. Ahora coexisten dos fases solidas: una solución sólida de cobre saturado con aproximadamente 40 % Zn más un compuesto CuZn.

En el caso extremo, pudiera no existir prácticamente nada de solubilidad entre un material y otro. Esto es cierto para el aceite y el agua, o para aleaciones de cobre y plomo. Solución sólida.- es aquella en que el soluto es compatible con la matriz, los radios atómicos de los dos elementos deben diferir en menos del 15%, además las estructuras cristalinas deben ser iguales y los átomos deben tener la misma valencia y electronegatividad. Endurecimiento por solución sólida.- Produciendo aleaciones de solución sólida se originan un endurecimiento por solución sólida. En el sistema cobre-níquel, se ha introducido intencionalmente un átomo sustitucional sólido (Ni) en la red original (Cu), esta aleación tiene una resistencia mayor que la del cobre puro.

El grado de endurecimiento por solución sólida depende de dos factores: Primero, una gran diferencia en tamaño atómico entre el átomo original (solvente) y el átomo añadido (soluto) incrementará el efecto de endurecimiento a través de un efecto de desorden en la red inicial. Segundo, cuanto mayor sea la cantidad de elemento de aleación añadida, tanto mayor será el efecto de endurecimiento. Otros efectos de endurecimiento por solución sólida son: - El esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y la dureza de la aleación son mayores que para metales puros. - Generalmente la ductilidad de la aleación es menor que la del metal puro. - La conductividad eléctrica de la aleación es mucho menor que la del metal puro - La resistencia a la termofluencia se mejora por el endurecimiento por solución sólida.

Diagramas de fases isomorfos y la solidificación
Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. 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. En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.

Temperaturas de líquidus y de sólidus: 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 aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus “TL”. La temperatura de sólidus “Ts” 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. Si se utiliza una aleación cobre-níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de sólidus, de manera que no ocurra fusión.

Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el 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. El sólido es una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante una letra minúscula griega, como alpha o como S.

Fases presentes: A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes. Si tomamos la línea de enlace como la línea horizontal de temperatura dentro de la región de dos fases, los extremos de estas líneas representan las composiciones respectivas.

Composición líquida del Ni Composición sólida del Ni

En la siguiente figura se indica el proceso de calentamiento de una aleación A-B en una composición Co, en primer lugar la composición Co comienza a fundirse a Ts. La composición del primer líquido que se forma es CLS mientras que la composición sólida es Co. Cuando llega a la temperatura de fusión el último sólido tiene una composición CSL y la composición del líquido es Co

Regla de la Palanca.- Finalmente, el interés se enfoca en las cantidades relativas de cada fase, presentes dentro de la aleación. Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso). En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas, se deberá calcular la cantidad de cada fase. Una técnica es hacer un balance de materiales. 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 esta forma:

Pasos para calcular las composiciones: 1.- Dibujar la isoterma

Regla de la Palanca.- 2.-Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada.

Regla de la Palanca 3.Dividir el largo del opuesto por la isoterma:

Solidificación de una aleación por solución sólida
Cuando una aleación como Cu-40% Ni se funde y luego se enfría, la solididicación requiere de la nucleación como del crecimiento de grano. La nucleación ocurre cuando alcanza la temperatura de líquidus. El calor latente de fusión se libera en una variación tal de temperaturas que la curva de enfriamiento muestra un cambio en la pendiente en lugar de una meseta.

Por encima de 1280 oC , por ejemplo a 1400 oC se tiene una aleación Cu-40%Ni en estado líquido. A 1280 oC se da inicio la solidificación, el líquido contiene Cu-40% Ni y el primer sólido contiene Cu-60% Ni. A 1230 oC, el líquido contiene 30% de Ni y el sólido 50% de Ni, al enfriarse algunos átomos de níquel deben difundirse del primer níquel sólido al nuevo sólido, reduciéndose el níquel en el primero. Los átomos adicionales de níquel se difunden del líquido en solidificación al nuevo sólido. Mientras los átomos de cobre se han concentrado en el líquido remanente. Este proceso debe seguirse hasta la solidificación total.

A 1200 oC el último líquido que contiene Cu-20% Ni y el sólido contiene Cu-40% Ni. Por debajo de 1230 oC el sólido deberá contener una concentración de 40% de Ni. Para lograr esta estructura final, la velocidad de enfriamiento debe ser extremadamente lenta para que se difundan los átomos de cobre y níquel.

Cu Ni

Solidificación fuera de equilibrio y segregación
En la mayoría de las fundiciones el enfriamiento es demasiado rápido como para permitir la difusión de los átomos y permitir el equilibrio, entonces se producen estructuras poco comunes en la fundición. Aleación Cu-40% Ni en un enfriamiento rápido A 1280 oC se da inicio la solidificación, el líquido contiene Cu-40% Ni y el primer sólido contiene Cu-60% Ni. A 1230 oC, la isoterma indica que el líquido contiene 30% de Ni y el sólido 50% de Ni. Puesto que la difusión ocurre rápidamente en los líquidos, se espera que la isoterma determine la composición del líquido. Sin embrago, la difusión en los sólidas es comparativamente lenta. El primer sólido que se forma tiene aún aproximadamente 60 %Ni pero el nuevo sólido sólo 50% Ni. Esto origina un sólido fuera de equilibrio diferente que el indicado por el diagrama de fases. Conforme continúe la solidificación, la línea del sólidus continua separándose del sólidus en equilibrio.

Debido a la solidificación fuera de equilibrio los centros de las dendritas, que representan el primer sólido producido, son ricos en el elemento con mayor punto de fusión en la aleación, en tanto que las regiones entre las dendritas son ricas en el elemento de menor punto de fusión. Las velocidades altas de enfriamiento ocasionan mayores desvíos de equilibrio. - La composición no uniforme producida por la solidificación fuera de equilibrio es conocida como segregación, este tipo de fundición tenga como resultado propiedades más deficientes. - Puede reducirse la segregación utilizando un tratamiento térmico de homogenización

Endurecimiento por dispersión
Cuando se añade suficiente elemento de aleación para exceder el límite de solubilidad, se produce una aleación de dos fases, permitiendo que la aleación se endurezca por dispersión. Se denomina a la fase continua, que usualmente está presente en mayor cantidad matriz. La segunda fase, por lo común presente en cantidades menores se llama precipitado. Existen ciertas consideraciones generales para determinar en qué forma las características de la matriz y el precipitado afectan las propiedades generales de la aleación. 1.- La matriz debe ser blanda y dúctil, y el precipitado duro y frágil. El precipitado interviene con el deslizamiento, siendo que la matriz proporcione al menos cierta ductilidad.

Endurecimiento por dispersión
2.- El precipitado duro y frágil debe ser discontinuo, y la matriz continúa blanda y dúctil. Este arreglo capacita a la matriz para impedir la grietas, que se forman más fácil en el precipitado. 3.- Las partículas del precipitado deben ser numerosas y pequeñas. 4.- Las partículas del precipitado deben ser redondas en lugar de puntiagudas o afiladas. La forma redonda es menos propensa a iniciar una grieta. 5.- Grandes cantidades del precipitado incrementan la resistencia

Reacciones de tres fases
La coexistencia de tres fases se da cuando una sola fase se transforma en dos fases, o bien cuando dos fases se combinan para transformarse en una sola fase. El proceso de transformación se verifica de una temperatura alta a una temperatura baja. El rasgo que caracteriza la presencia de una reacción de tres fases es una línea horizontal. Al enfriar, la reacción de tres fases se lleva acabo en un punto fijo sobre la línea horizontal. Este punto proporciona la composición de la monofase, en tanto que los extremos de la línea dan las composiciones de las otras dos fases.

Una sola fase se transforma en dos fases Reacción: P1 → P2 + P3 C2 = Composición de P2 C3 = Composición de P3 CR = Composición de la monofase

Dos fases que se transforma en una sola Reacción: P2 + P3 → P1

Tipos de reacciones de tres fases

Las reacciones con líquidos utilizan la terminación “ica”, mientras que las reacciones sólidas utilizan la terminación “oide”. Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica son parte del proceso de solidificación. Las aleaciones usadas para fundición y soldadura a menudo usan la ventaja del bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. Las aleaciones monotécticas a menudo mejoran las características de maquinabilidad del producto terminado, como ocurre con las aleaciones de bronce y latón. Las reacciones peritécticas se evitan si es posible debido a que la solidificación fuera de equilibrio y la segregación acompañan frecuentemente a la reacción. De estas reacciones sólo la eutéctica proporciona un endurecimiento por dispersión.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones completamente de estado sólido. La eutectoide conforma la base para los tratamientos térmicos de muchos sistemas de aleación incluyendo al acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta, produciendo estructuras fuera de equilibrio.

EJERCICIO Identificar las reacciones de tres fases presentes en el siguiente diagrama de fases

Solución Rectas horizontales: a.- 2000 C b.- 1400 C c.- 1100 C
d C e C

Tipos de reacciones a.- 2000 C Reacción peritéctica n + L → α
b C Reacción eutéctica L + α → β c C Reacción monotéctica L1 → β + L2 d C Reacción eutectoide α → δ + β e C Reacción eutéctica L2 → β + γ

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