Diagramas de Fase

Elaborado por: Ing. Xavier Snchez 1

CIENCIA E INGENIERIA EN MATERIALES

Carrera de Ingeniera Mecnica

DIAGRAMAS DE FASE

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Fase es una regin la cual difiere de otra ya sea por estructura y/o composicin. Los diagramas de fase son representaciones grficas de las regiones que se encuentran presentes en los materiales


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Informacin de los diagramas de fase

Las fases a diferentes temperaturas, composiciones en condiciones de enfriamiento lento.

Indicar la solubilidad en estado slido en equilibrio

Mostrar la temperatura en la que se ha enfriado una aleacin, cuando esta empieza a solidificarse y el rango de la temperatura en

la que ha sucedido este proceso. Elaborado por: Ing. Xavier Snchez 3

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Diagrama de sustancias puras

Una sustancia puede existir en diferentes estado de acuerdo a las condiciones de temperatura y presin, como ejemplo tenemos al agua en ebullicin

PRINCIPIO DE ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIN Y RECOCIDO


Grfico 1 Diagrama de equilibrio de fases aproximado presin temperatura (PT) para el agua pura (Los ejes del diagrama se encuentran en parte, distorsionados).

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Existen tambin diagramas para otras sustancias como para el hierro, aleaciones. En el caso del hierro figura 2 existen tres fases slidas y distintas: hierro alfa (), hierro gamma () y hierro delta (). Los hierros y tiene estructuras BCC y el hierro es FCC.

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Grafico 2. Diagrama de equilibrio de fases aproximado presin temperatura (PT) para el hierro puro

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EJERCICIO 1 Determine la temperatura de liquidus, la temperatura de solidus y el rango de solidificacin para las composiciones cermicas de MgO-FeO siguientes:

1. (a) MgO-25%peso FeO

2. (b) MgO-45%peso FeO

3. (c) MgO-65%peso FeO

4. (d) MgO-80%peso FeO (Ref:2, p.249 Ej9-8).


Figura 3. Diagrama de fases en equilibrio para el sistema MgO-Feo

Reglas de fases de gibbs Permite calcular el nmero de fases que coexisten en equilibrio para cualquier sistema, esta ecuacin se llama regla de fases de Gibbs.


P + F = C + 2

P = Nmero de fases que coexisten en un sistema dado. C = Nmero de componentes del sistema F = Grados de libertad

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En los diagramas utilizados para la ciencia de los materiales se aplicar la ecuacin

P + F = C + 1.


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Sistemas de aleaciones isomorfas binarias

Se considera una aleacin de dos metales y a cada uno de estos se los considera independientes, y las aleaciones toman el nombre de isomorfas cuando slo existe un solo tipo de estructura cristalina para todas las composiciones. Elaborado por: Ing. Xavier Snchez 12

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Figura 4 Diagrama de fases de cobre-nquel. El cobre y el nquel tiene solubilidad total tanto en estado lquido como slido.

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3Regla de la palanca.

Para determinar el porcentaje en peso de un punto O dentro de la zona bifsica, este se lo encuentra ya sea por medio del porcentaje de peso en fase slida o fase lquida del componente que se desee.


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Diagrama de fases binario de dos metales A y B completamente solubles entre s, a partir del cual se pueden obtener as ecuaciones de la regla de la palanca. A temperatura T, la composicin de la fase lquida es wl y la de fase slida ws.

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Fraccin en peso de la fase slida = wlws

wlwoXs

Fraccin en peso de la fase lquida =wlws

wowsXl

Donde

wo = fraccin en peso del punto deseado.

wl = fraccin en peso en fase lquida.

ws = fraccin en peso en fase slida.


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Ejercicio 2 Determine las fases presentes, las composiciones de cada fase y la cantidad en cada fase en porcentaje en peso para los materiales cermicos MgO-FeO a 2000 C:

1. (a) MgO-25%peso FeO

2. (b) MgO-45%peso FeO

3. (c) MgO-65%peso FeO

4. (d) MgO-80%peso FeO (Ref:2, p.249 Ej9-10).


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Ejercicio 3. Una aleacin Nb-W contiene 55% de a 2600 C determine:

(a) La composicin de cada fase

(b) La composicin original de la aleacin. (Ref: 2, p. 250 Ej 9-22).


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Diagrama de fases en equilibrio para el sistema Nb-W


Sistema de aleaciones eutcticas binarias En algunas aleaciones binarias se presenta solubilidad limitada como la aleacin Pb-Sn, las zonas de restriccin son alfa y beta (soluciones slidas terminales). La primera es una solucin rica en Pb que puede disolver un mximo de 19.2% de Sn a 183C mientras que la segunda es una solucin rica en Sn y pude disolver un mximo de 2.5% de Pb a la misma temperatura.

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Diagrama de fases en equilibrio Pb-Sn. Este diagrama esta caracterizado por la solucin limitada en estado slido de cada fase terminal ( y ). La reaccin invariante eutctica a un 61.9% Sn y 183C es el rasgo ms importante de todo el sistema. En el punto eutctico, coexisten (19.2% Sn), (97.5% Sn) y lquido (61.9%).

REACCION EUTECTICA


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Temperatura eutctica

Lquido solucin slida +solucin slida

Enfriamiento A la reaccin eutctica se la conoce como invariante, durante la reaccin eutctica existen tres fases el equilibrio , y lquida. La notacin de la reaccin eutctica del sistema Pb-Sn es:

183C

Lquido(61.9% Sn) (19.2% Sn) + (97.5%Sn)

Enfriamiento

Las aleaciones con composiciones entre el 19 y 61.9% de Sn se conocen con el nombre de hipoeutcticas, es decir aleaciones que contienen menos de la cantidad eutctica de estao. Una aleacin hacia la derecha de la composicin eutctica entre 61.9 y 97.5% es una aleacin hipereutctica.


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Ejercicio 4 Considere una aleacin Pb-35 de Sn Determine:

(a) Si ala aleacin es hipoeutctica o hipereutctica.

(b) La composicin del primer slido que se fiema durante la solidificacin.

(c) Cantidades y composicin a184C

(d) Cantidades y composicin a182C

(e) Cantidades y composicin de cada microconstituyente a 182C

(f) cantidades y composicin de cada fase a 25C. (Ref:2, p.281. Ej10-10).


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Ejercicio 5 Una aleacin Pb-Sn contiene 45% de y 55% a 100C. Determine la composicin de la aleacin Es la aleacin hipoeutctica o hipereutctica? (Ref:2, p.281. Ej10-15)


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Sistemas de aleaciones peritcticas binarias

La reaccin peritctica se presenta en los diagramas de equilibrio complejos, por lo general si los puntos de fusin son muy diferentes, esta reaccin se nota de la siguiente manera


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Lquido +

Enfriamiento

En la figura se muestra la reaccin peritctica en un diagrama de fases de aleacin hierro nquel , existen dos fases slidas ( y ) y una fase lquida. es una solucin slida de nquel BCC y es una solucin slida FCC. La reaccin peritctica se produce cuando la aleacin se enfra lentamente por debajo de la temperatura peritctica que en este caso es de 1517C y cuando existe un 4.3% de peso de nquel. Tambin se define el punto peritctico donde coexisten en equilibrio las tres fases (lquido, y ) y la temperatura peritctica. La notacin de la reaccin del diagrama


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Rgin peritctica del diagrama de fases hierro-nquel. El punto peritctico

esta situado a 4.3% Ni y 1517C que es punto c


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1517C

Lquido (5.4% en peso Ni) + (4.0% en peso de Ni) (4.3% en peso de Ni)

Enfriamiento

En la reaccin peritctica (L + ) la fase creada rodea y encasilla la fase primaria, esto dentro de un enfriamiento lento.


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Representacin esquemtica del desarrollo progresivo de la reaccin peritctica

Ejercicio 6 Determine la composicin porcentual en peso de una aleacin del sistema Fe-Ni que formara una estructura del 45% en peso de delta y el 55% en peso de gama justo por debajo de la temperatura peritctica. (Ref:5, p.326, Ej8.7.8).


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Sistemas monotcticos binarios

Esta se caracteriza por que una fase lquida se transforma en una fase slida y otra liquida, se nota de la siguiente forma:


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L1 + L2

Enfriamiento

Esta reaccin se produce en composiciones donde los dos lquidos no son miscibles (como el agua y el aceite) , una reaccin as ocurre en el sistema Cu Pb a 955C y 36% de Pb, este diagrama tiene un punto eutctico a 326C y 99.94% Pb es as que a temperatura ambiente se forman soluciones de Pb con 0.007% Cu y cobre casi puro con 0.005 % Pb.


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Diagrama de fases del cobre plomo. El rasgo ms importante de este diagrama es la reaccin invariante monotctica a 36% de Pb y 955C. En el punto monotctico pueden coexistir (100% Cu), L1 (36% Pb) y L2 (87% Pb). Engase en cuenta que el cobre y el plomo son insolubles entre si.


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Nombre de la

reaccin

Ecuacin Caracterstica del diagrama de

fase

Eutctica

Eutectoide

Peritctica

Peritectoide

Monotctica

Diagramas de fase con fases intermedias

Muchos diagramas de fases son complejos, en los diagramas de fase es necesario hacer hincapi en dos tipos de soluciones slidas las que son fases terminales e intermedias, las primeras se encuentran presentes en los extremos del diagrama de fase como son y en la Cu - Ni, mientras que las segundas se presentan dentro de un rango de composiciones dentro del diagrama de fases Fig siguiente, en esta figura y son fases terminales y , , y son intermedias.


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Diagramas de fase con compuestos intermedios

Se forman entre un dos metales o entre un metal y un no metal, como ejemplo el diagrama Mg-Ni contiene compuestos intermedios Mg2Ni y MgNi2 Fig siguiente En este diagrama MgNi2 es el compuesto congruente (constante). Mientras que Mg2Ni es incongruente que en condiciones de calentamiento sufre descomposicin peritctica a 761C transformndose en un liquido y en una fase MgNi2.


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Diagrama de fases magnesio-nquel. En este diagrama hay dos compuestos intermetlicos Mg2Ni y MgNi2

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