Diagramas Fases Binarios (Metalotecnia)

JoséManuelGómezVega Página1

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DIAGRAMA DE FASES BINARIOS.

ÍNDICE.

0. OBSERVACIÓN PREVIA .................................................................................................................... 3

1. NOCIONES INTRODUCTORIAS. ........................................................................................................ 3

1.1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................... 3 1.2. DEFINICIONES........................................................................................................................................ 3 1.3. SOLUCIONES Y SOLUBILIDAD. .................................................................................................................... 4

1.3.1. Solubilidad ilimitada. ................................................................................................................ 5 1.3.2. Solubilidad limitada. ................................................................................................................. 6

2. DIAGRAMAS DE FASE. .................................................................................................................... 8

2.1. INFORMACIÓN QUE PODEMOS OBTENER DE LOS DIAGRAMAS DE FASE. .............................................................. 8 2.2. DIAGRAMA DE FASES DE SUSTANCIAS PURAS. ............................................................................................... 9 2.3. REGLA DE LAS FASES DE GIBBS. ................................................................................................................. 9 2.4. SOLUBILIDAD SÓLIDA COMPLETA (DIAGRAMA ISOMORFO). .......................................................................... 10

2.4.1. Temperaturas de líquidus y de sólidus. ................................................................................... 10 2.4.2. Fases presentes. ...................................................................................................................... 11 2.4.3. Composición de cada fase. ...................................................................................................... 11

2.5. REGLA DE LA PALANCA. ......................................................................................................................... 11 2.5.2. Pasos para calcular las composiciones. .................................................................................. 12 2.5.3. Ejemplo práctico de aplicación................................................................................................ 12

2.6. SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN DE SOLUCIÓN SÓLIDA LIMITADA (SOLUCIÓN EN EQUILIBRIO). .......................... 13 2.7. CLASIFICACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASE. ............................................................................................. 15

2.7.1. Grupo primero. ........................................................................................................................ 15 2.7.2. Grupo segundo. ....................................................................................................................... 15 2.7.3. Grupo tercero. ......................................................................................................................... 16 2.7.5. Diagramas de fases con compuestos y fases intermedias. ..................................................... 17 2.7.6. Grupo cuarto. .......................................................................................................................... 18 2.7.7. Grupo quinto. .......................................................................................................................... 19 2.7.8. Reacciones invariantes. ........................................................................................................... 19 2.7.9. Solidificación fuera de equilibrio. ............................................................................................ 20

2.8. MISCIBILIDAD SÓLIDA PARCIAL. .............................................................................................................. 21 2.9 DIAGRAMAS TTT. ................................................................................................................................. 22 2.10. CONCLUSIONES. ................................................................................................................................ 22

3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS EMPLEADAS. ............................................................................ 23


0.OBSERVACIÓNPREVIA.

En la bibliografía complementaria consultada he observado que ciertos autores consideran los diagramas de tres fases aquellos en los que se dan la reacción eutéctica, peritéctica, eutectoide y peritectoide, etc. Seguiré lo estudiado según los textos básicos y la consideración de diagrama de fases binarios de los mismos. He tomado parte de las ilustraciones de otros libros de referencia que se recogen en la bibliografía. Dado que con este trabajo no voy a obtener lucro y puedo ofrecer publicidad gratuita para esas referencias, considero oportuno el haberlas incluido.

1.Nocionesintroductorias.

1.1.Introducción. En este trabajo veremos que los diagramas de fase son modelos que muestran las fases que deben existir en condiciones de equilibrio termodinámico. Veremos conceptos fundamentales, tales como los estados de la materia, reglas de fases, miscibilidad, regla de la palanca, etc. También analizaremos distintos ejemplos que nos permitan comprender con mayor claridad los conceptos que envuelven a los cambios de fases y centraremos el estudio posteriormente en los diagramas de fase binarios.

1.2.Definiciones. Solución: Ésta puede ser sólida o líquida (monofásica). En una solución puede ocurrir

cualquiera de los siguientes aspectos: 1) un átomo puede ser substituido por otro, en sitios de la red cristalina pertenecientes a

la estructura de la fase 2) los átomos pueden colocarse en intersticios de la estructura. 3) el soluto no modifica la estructura del solvente.

Solución sólida: un átomo del soluto se introduce en la red de otro (disolvente), pudiendo

sustituir a los del disolvente o meterse en los huecos de la red, de tamaño atómico parecido, parecidas propiedades químicas, con poca afinidad química (escasa reactibilidad). La solución sólida es característica del enlace metálico.

Compuesto: los elementos mezclados son bastante diferentes químicamente; presentarán

mayor propensión a mezclarse por afinidad química, pudiendo estar formado por metales y no metales en proporciones cercanas a las estequiométricas. Del estudio de la estructura se observa que cuanto mayor sea el carácter iónico o monopolar, mayor tendencia tendrá a formar compuesto.


Mezcla: material con más de una fase (polifásica), los componentes se mezclan pero ninguno

se disuelve en el otro. Veamos ejemplos aclaratorios: 1) Contienen más de una estructura (patrón estructural). Ej.: arena y agua 2) En cada uno de los agregados hay dos fases diferentes, cada uno con su propio arreglo atómico (red estructural). 3) Las propiedades resultantes no corresponden a las de las fases componentes individuales, por lo que el material resultante tiene características bien distintas a la de los materiales individuales. Ej.: hormigón armado.

Fase: es aquella parte o región de un material que es distinta a otra región en estructura y/o

composición. Ejemplos: • Agua y hielo: Estas dos fases pueden coexistir, y aunque tienen una misma composición, el hielo es un sólido cristalino con red hexagonal, mientras que el agua es líquida. • Plástico reforzado con fibra de vidrio • Hormigón reforzado con fibras (de acero, polipropileno, u otras). Las dos fases de un material dado presentan diferencias bien claras tanto en composición como en estructura.

Frontera de Fase: representa una DISCONTINUIDAD en la estructura y/o composición de

un material, están representadas por las líneas que dividen cada sector del diagrama de fase.

1.3.Solucionesysolubilidad. Cuando se empiezan a combinar materiales distintos, como al agregar elementos de aleación a un metal, se producen soluciones. Éstas pueden ser tanto líquidas como sólidas. 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 soluciones alteran las propiedades de los materiales como se puede ver en las figuras siguientes.

fig. 1 fig. 2

Figura 1: esta tabla muestra el cambio de propiedades de un material al cambiar su composición. Figura 2: muestra la relación tensión‐deformación entre áridos, pasta de cemento y la mezcla de ambos (hormigón), produciendo un material de dos fases.


1.3.1.Solubilidadilimitada.

Supongamos que se inicia con un vaso de agua y uno de alcohol. El agua es una fase y el alcohol otra. Al vaciar el agua en el alcohol y revolver, solamente se producirá una fase. El vaso contendrá una solución de agua y alcohol, con estructura, propiedades y composición únicas. El agua y el alcohol son solubles entre sí. Además, tienen una solubilidad ilimitada: independientemente de la relación de agua y alcohol, al mezclarlos sólo se produce una fase. 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 3), porque el níquel y el cobre tienen solubilidad líquida ilimitada.

fig. 3

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 (red cúbica centrada en las caras). 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.

fig. 4


Una solución sólida no es una mezcla, como hemos visto en las definiciones previas. Las mezclas contienen más de un tipo de fase y sus componentes conservan sus propiedades individuales como vimos. Los componentes de una solución sólida se disuelven uno en el otro y no retienen sus características propias.

1.3.2.Solubilidadlimitada.

Cuando se agrega una pequeña cantidad de azúcar (primera fase) a un vaso con agua (segunda fase) y se revuelve, el azúcar se disuelve totalmente en el agua. Se obtendrá sólo una fase: agua azucarada. Sin embargo, si al agua se le agrega demasiada azúcar, el exceso se hundirá en el fondo del vaso. Ahora se tienen dos fases, agua saturada con azúcar, más la sólida excedente: el azúcar tiene solubilidad limitada en el agua. La figura 5 muestra la limitación que tiene disolver azúcar en agua.

fig. 5

En la figura 6 se muestra como disminuye la temperatura de solidificación del agua, al aumentar la cantidad de sal hasta un 23,3%, Esto se usa para evitar el hielo en los pavimentos. Se puede apreciar que la zona del gráfico sobre 0 ºC es similar al gráfico de agua y azúcar.

fig.6

Si al cobre líquido se le agrega una pequeña cantidad de zinc líquido, se producirá una sola solución líquida. Cuando dicha solución de cobre y zinc se enfría y se solidifica, da como resultado una solución sólida de estructura CCC, con los átomos de cobre y de zinc localizados de manera aleatoria en los puntos normales de la red. Sin embargo, si la solución líquida


contiene más de un 30 por ciento de zinc, algunos de los átomos de zinc excedentes se combinarán con algunos de los átomos de cobre, para formar un compuesto Cu ‐ Zn (figura 7).

fig. 7

Ahora coexisten dos fases sólidas: una solución sólida de cobre saturado, con aproximadamente 30 % de zinc, y un compuesto Cu‐Zn. La solubilidad del zinc en el cobre es limitada. La figura 8 muestra una porción del diagrama de fases Cu‐Zn ilustrando la solubilidad del zinc en el cobre a bajas temperaturas. La solubilidad aumenta al incrementarse la temperatura.

fig.8


En la figura 9 podemos ver que una mezcla de dos fases se puede transformar en una solución homogénea de una fase, aumentando su temperatura.

fig. 9

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, por ejemplo.

2.DIAGRAMASDEFASE. Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición, donde la temperatura está en el eje de ordenadas y la composición en el eje de abscisas de un sistema cartesiano de coordenadas.

2.1.Informaciónquepodemosobtenerdelosdiagramasdefase. Son 4 las más importantes. 1. Conocer qué fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. 3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.


2.2.Diagramadefasesdesustanciaspuras. Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa, 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. Durante la ebullición del agua, el agua líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio. Una representación de las fases acuosas que existen bajo diferentes condiciones de presión y temperatura se muestra en la figura 10.

fig. 10

Diagrama de equilibrio de fases aproximado presión‐temperatura (PT) para el agua pura. (Los ejes del diagrama se encuentran algo distorsionados)

En el diagrama de fases presión‐temperatura (PT) del agua existe un punto triple a baja presión (0,6113 kPa = 0,00602 atm) y baja temperatura (0,0098 ºC) donde las fases sólida, líquida y gaseosa coexisten. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización y las fases líquida y sólida a lo largo de la línea de congelación, como se muestra en la Figura. Estas líneas son líneas de equilibrio entre dos fases.

2.3.RegladelasFasesdeGibbs. Ecuación que permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema:

P + F = C + 2

(P + F = C + 1 si la presión es cte = 1 atm, que será la utilizada en todos los cálculos futuros de metalotecnia).

P = número de fases que pueden coexistir en el sistema elegido C = número de componentes en el sistema (elemento, compuesto o solución) F = grados de libertad (número de variables: presión, temperatura y composición)


2.4.SolubilidadSólidaCompleta(Diagramaisomorfo). 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. La figura 11 muestra como cambia la composición a medida que cambia la temperatura.

fig. 11

2.4.1.Temperaturasdelíquidusydesólidus. 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. La temperatura de sólidus 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.


2.4.2.Fasespresentes.

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.

2.4.3.Composicióndecadafase. Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación. Si la composición original de la aleación se modifica, entonces también deberá modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus composiciones diferirán entre sí como de la composición general original, Si ésta cambia ligeramente, la composición de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante. La figura 12 muestra la composición de cada una de las fases a una determinada temperatura.

fig. 12

2.5.RegladelaPalanca. 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, sin embargo, 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: Brazo opuesto de palanca

Porcentaje de fase = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ ∙ 100 Longitud total de isoterma Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente).

2.5.2.Pasosparacalcularlascomposiciones.

1. Dibujar la isoterma (figura 13). 2. Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada (fig.14).

fig. 13 fig.14

1. Dividir el largo del opuesto por la isoterma 2. El resultado se multiplica por 100.

2.5.3.Ejemploprácticodeaplicación. Una aleación de cobre ‐ níquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y está a 1.300 °C. Utilizando la figura 15, responder lo siguiente: (a)¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre en las fases sólida y líquida a esta temperatura? (b)¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida, y qué porcentaje es sólida?


fig. 15 Solución: a) % Cu en fase líquida: 55 % Cu % Cu en fase sólida: 42 % Cu b) Para el Níquel: wo = 53 % / wl = 45 % / ws = 58 % Las ecuaciones a emplear serán:

sl

ls

osl

ls

ls

XX

ww

wwX

ww

wwX

1

38.04558

5358

62.04558

45530

2.6. Solidificación de una aleación de solución sólida limitada(soluciónenequilibrio). En una aleación como Cu‐40% Ni que se funde y luego se enfría, la solidificación requiere que ocurra tanto la nucleación como el crecimiento. La nucleación heterogénea permite poco o prácticamente ningún subenfriamiento, por lo que la solidificación empezará cuando el líquido llegue a la temperatura de líquidus. El diagrama de fases (figura 17) con la isoterma trazada a


la temperatura de líquidus, indica que el primer sólido que se forma tiene una composición Cu‐52% Ni.

fig.17

El cambio en estructura de una aleación Cu‐40% Ni durante la solidificación en equilibrio. Los átomos de níquel y cobre deben difundirse durante el enfriamiento, a fin de satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura en equilibrio uniforme.

Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del sólido a. Primero, el crecimiento requiere que el calor latente de fusión, que se disipa durante la solidificación del líquido, sea eliminado de la interfase sólido líquido. Segundo, y a diferencia de los metales puros, debe ocurrir la difusión tal de manera que durante el enfriamiento las composiciones de las fases sólida y líquida sigan las curvas de sólidus y de líquidus. El calor latente de fusión es eliminado a lo largo de un rango de temperaturas, y así la curva de enfriamiento muestra un cambio en pendiente, en vez de meseta plana.

fig. 18

La curva de enfriamiento correspondiente a una aleación isomorfa durante la solidificación. Los cambios en la pendiente de la curva de enfriamiento indican las temperaturas de líquidus y de sólidus, en este caso, correspondientes a una aleación Cu‐40% Ni.

Al inicio de la solidificación, el líquido contiene Cu‐40% Ni y el primer sólido contiene Cu‐52% Ni. Los átomos de níquel debieron difundirse y concentrarse en el primer sólido que se formó. Pero después de enfriarse hasta 1250ºC, la solidificación ha avanzado y el diagrama de fases indica que ahora todo el líquido debe contener 32 % de Ni y todo el sólido debe contener 45 % de Ni. Al enfriarse desde el líquidus hasta 1250ºC, algunos átomos de níquel debieron haberse difundido del primer sólido hasta el nuevo sólido, reduciendo el níquel del primero. Además, se difunden átomos de níquel del líquido en solidificación hacia el nuevo sólido. Entre tanto,


los átomos de cobre se han concentrado, por difusión, en el líquido restante. Este proceso deberá continuar hasta llegar a la temperatura de sólidus, donde el último líquido en solidificarse, que contiene Cu‐28% Ni, lo hace formando un sólido que contiene Cu‐40% Ni. Justo debajo de la temperatura de sólidus, todo el sólido deberá contener una concentración uniforme de 40 por ciento de Ni. Para poder conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad de enfriamiento debe ser extremadamente lenta. Debe permitirse el tiempo suficiente para que los átomos de cobre y níquel se difundan y produzcan las composiciones mostradas en el diagrama de fases. En la mayor parte de las situaciones prácticas, la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida para permitir este equilibrio.

2.7.Clasificacióndelosdiagramasdefase. En una aleación de dos componentes puede que ambos sean completa o parcialmente solubles o insolubles (tres casos). Esto determina una clasificación de los diagramas básicos de equilibrio, donde la solubilidad hace referencia a la solidificación respecto al sólido.

2.7.1.Grupoprimero. ‐Dos metálicos (grupos 1 a) completamente solubles en líquido y en sólido. ‐En la figura 19 se observan las líneas líquidus, sólidus y las composiciones de cada zona.

fig. 19

2.7.2.Gruposegundo. ‐Dos metales (grupo 1 b), totalmente solubles en líquido y completamente insolubles en estado líquido. ‐Línea horizontal plana en puntos de solidificación producida a una única temperatura TE donde se encuentra el punto E (eutéctico): mínimo de línea líquidus. ‐Al transferir los resultados de la fig. 20 a la fig. 21 llevamos las pendientes de las curvas. ‐TA y TB : puntos de inicio de solidificación donde A y B son puros. ‐Las líneas líquidus y sólidus son las marcadas en la fig. 21.


‐4 áreas: solución líquida (solo 1 fase), líquido + sólido A, líquido + sólido B, sólido A + sólido B. ‐Serán mezclas por ser insolubles en líquidos; a la izquierda hipoeutécticas, a la derecha hipereutécticas. ‐45A‐55B : composición eutéctica.

‐Reacción eutéctica: SólidoBSólidoAntocalentamie

toenfriamienlíquido

fig. 20 fig. 21

2.7.3.Grupotercero. ‐Dos metales (grupo 1 c) completamente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido. ‐Son los más predominantes. ‐Tiene en común con los de los grupos anteriores que solo hay una solución líquida de fase única arriba de la línea líquidus y tiene como diferencia que existen soluciones sólidas

terminales , próximas a los ejes.

‐Las áreas restantes serán de dos fases: líquido + , líquido + y , según se aprecia en

la figura 22. ‐Las líneas solvus A’A’’ y B’B’’ indican las solubilidad máxima o saturada. ‐También existe un punto eutéctico (como en el grupo segundo).


fig. 22

2.7.5.Diagramasdefasesconcompuestosyfasesintermedias. ‐Hay dos tipos de soluciones sólidas: fases terminales (visto en grupo tercero) y fases intermedias, que pueden ser simples o compuesto de electrones y que no solo están restringidas a aleaciones binarias. ‐En la fase intermedia simple de la figura 122 se observa que se forma el compuesto Mg2Sn para 70,9 % de estaño de composición invariable que no disuelve en ninguno de los elementos constituyentes. ‐En el compuesto de electrones (indicado en letras griegas) sí se puede disolver en cantidades limitadas, como el Ni3Ta de la fig. 24.

fig. 23 fig. 24


La reacción peritéctica. Se da en componentes completamente solubles en estado líquido donde se forman fases intermedias congruentes e incongruentes. Congruentes: cambio isotérmico, sin variación en composición química (metales puros). La reacción peritéctica es incongruente, reacción en tres fases, al enfriar dos (una de ellas líquida) dan un nuevo producto sólido. Es inversa a la reacción eutéctica:

Reacción peritéctica: 2_1 sólidonuevontocalentamie

toenfriamiensólidolíquido

fig. 25

2.7.6.Grupocuarto.‐Ambos componentes son parcialmente solubles en estado líquido. ‐Temperatura monotéctica: arriba de la cual hay dos soluciones líquidas. ‐A temperaturas superiores es posible que las líneas punteadas se cierren y solo haya una solución líquida homogénea. ‐Reacción monotéctica: un líquido al enfriar forma otro líquido más un sólido. Es parecida a la eutéctica, salvo que cada uno de los productos es fase líquida (y no sólida).

Reacción monotéctica: SólidoLntocalentamie

toenfriamienL

21

‐ fig. 26


2.7.7.Grupoquinto.

‐Dos metales (grupo 3 b), totalmente insolubles en estado líquido y en sólido estado sólido. ‐Al enfriar, los metales solidifican en sus puntos de solidificación en dos capas distintas, con una línea de contacto y casi sin difusión, según se observa en la fig. 27.

fig. 27

2.7.8.Reaccionesinvariantes. Hemos visto ya las reacciones tipo eutéctico, peritéctico y monotéctico que son reacciones invariantes, es decir, existen cero grados de libertad porque las temperaturas y composiciones están fijadas. Ahora veremos las reacciones eutectoide y peritectoide.

Reacción eutectoide: _2_1_ 2 SólidoSólidoLntocalentamie

toenfriamienSólido

3

‐parecida a la eutéctica, salvo que no interviene líquido en el reactivo. ‐es extremadamente fina, no distinguiéndose al microscopio de la eutéctica. ‐no interviene líquido.

fig. 28


Reacción peritectoide: 3_2_1_ 2 SólidoLntocalentamie

toenfriamienSólidoSólido

‐la nueva fase puede ser aleación intermedia, compuesto o también solución sólida. ‐parecida a la peritéctica, salvo que no hay líquido en los reactivos. ‐dos tipos representados. En la fig. 29 hay dos fases sólidas forman una fase gamma en la línea XY de T.

ntocalentamie

toenfriamien

En la fig. 30 hay dos fases sólidas (metal puro y solución sólida) que forman fase sólida gamma en la línea ZW.

ntocalentamie

toenfriamien

Las líneas anteriores se denominan líneas de temperatura peritectoide.

fig. 29 fig. 30

2.7.9.Solidificaciónfueradeequilibrio.

Cuando el enfriamiento es demasiado rápido para que se difundan los átomos y se produzcan condiciones de equilibrio, aparecen en la fundición estructuras poco comunes. Obsérvese lo que ocurre en la aleación Cu‐40% Ni durante un enfriamiento rápido.


fig. 19

Modificación en la estructura de una aleación Cu‐40% Ni durante la solidificación fuera de equilibrio. Un tiempo insuficiente para la difusión dentro del sólido produce una estructura segregada. Se puede apreciar claramente la diferencia de composiciones con respecto a la solidificación en equilibrio.

2.8.Miscibilidadsólidaparcial. Muchas combinaciones de dos elementos producen diagramas de fases más complicados que los sistemas isomorfos. Estos sistemas contienen reacciones que implican tres fases independientes. En la figura aparecen definidos cinco de ellos. Cada una de las reacciones puede ser identificada en un diagrama de fases complejo mediante el procedimiento siguiente:

1. Localícese una línea horizontal en el diagrama de fases. La línea horizontal que indica la presencia de una reacción de tres fases representa la temperatura a la cual ocurre la reacción en condiciones de equilibrio.

2. Localícense tres puntos distintos en la línea horizontal: los dos extremos, más un tercer punto, a menudo cerca del centro de la línea horizontal. El punto central representa la composición a la cual ocurre la reacción de tres fases.

3. Búsquese directamente por encima del punto central e identifique la fase o fases presentes; busque inmediatamente por debajo del punto central e identifique la fase o fases presentes. A continuación escriba, en forma de reacción, la fase o fases por encima del punto central que se transforman en la fase o fases por debajo del punto. Compare esta reacción con las de la figura para identificarla.

Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte del proceso de solidificación. Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldadura a menudo aprovechan el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de las aleaciones monotécticas tiene un domo o zona de miscibilidad, en donde coexisten dos fases líquidas. En el sistema cobre‐plomo, la reacción monotéctica produce minúsculos glóbulos de plomo disperso, que mejoran la capacidad de maquinado de la aleación de cobre. Las reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de equilibrio y a la segregación.


Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones exclusivas al estado sólido. La reacción eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones, incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta, produciendo en las aleaciones estructuras fuera de equilibrio no deseables.

2.9DiagramasTTT.

Los diagramas Temperatura ‐ Tiempo ‐ Transformación gráficamente describen las velocidades, tiempos y temperaturas a las cuales se producen las transformaciones de las aleaciones a estructuras fuera del equilibrio: ∙ Diagrama de Transformación Isotérmica (TI): diagrama de transformación tiempo – temperatura que indica el tiempo necesario para que una fase se descomponga en otra fases isotérmicamente a diferentes temperaturas. Permite predecir estructura, propiedades mecánicas y el tratamiento térmico en los aceros. ∙ Diagrama de Transformación de Enfriamiento Continuo (TEC): diagrama de transformación tiempo ‐ temperatura que indica el tiempo para que una fase se descomponga continuamente en otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento.

2.10.Conclusiones.

Pudimos ver que las soluciones alteran las propiedades de los materiales al cambiar su composición, donde dependiendo de las propiedades y cantidades de cada elemento que se combina se generan distintas fases, en que la temperatura, la presión y composición, cumplen una función fundamental. También a través de los diagramas de fases, podemos concluir, que las distintas fases, sólido, líquido y gaseoso, pueden coexistir en las llamadas líneas y puntos de equilibrio. Dependiendo del número de elementos presentes, se puede elaborar un diagrama de fase simple, binario, ternario, etc. En ellos es posible determinar el porcentaje en peso (% peso) presentes de cada elemento, a través de la regla de la palanca. También debemos mencionar que dependiendo del proceso de solidificación, las reacciones pueden ser eutécticas, monotécticas, peritécticas, eutectoides y peritectoides A continuación se ofrece un cuadro resumen con dichas reacciones.


3. REFERENCIASBIBLIOGRÁFICASEMPLEADAS.

1. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Donald R. Askeland. 2. “Introducción al conocimiento de materiales”, Segundo Barroso Herrero y Joaquín

Ibáñez Ulargui. 3. “Construcción e interpretación de diagramas de fase binarios”, Segundo Barroso

Herrero y José Ramón Gil Bercero. 4. “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los materiales”. William F. Smith 5. “Materials Science Cd – Rom”. John C. Russ, North Carolina State University. 6. “Ciencia de los materiales”. Departamento de Ingeniería de los Materiales,

Universidad de Chile. http://cipres.cecc.uchile.cl/links

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