S7 Bloque III Diagramas de Equilibrio I

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Carlos III de Madrid

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Dpto. Ciencia e Ing. Materiales e Ing. Qumica 1

SESIN 7. BLOQUE III. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO I

Conceptos generales.

Diagramas de fases de un solo componente.

Diagramas de fases de dos componentes con solubilidad total.

Diagramas de fases de dos componentes con solubilidad parcial.

Diagramas de fases de dos componentes con insolubilidad total.

Otras reacciones invariantes.

Diagramas con fases o compuestos intermedios.

Ciencia e Ingeniera de Materiales

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Conceptos generales

Componente.- Elementos, compuestos o disoluciones que forman parte de un sistema. Fase.- Porcin homognea de un sistema con caractersticas fsicas y qumicas uniformes: un material puro, un slido, un lquido o un gas se consideran fases. Microconstituyente.- Fase o mezcla de fases en una aleacin con apariencia distinta. Frecuentemente la microestructura se describe en funcin de los microconstituyentes en vez de las fases.

1

Acero al C: 2 Microconstituyentes: : Ferrita y : Perlita (ferrita + cementita) 2 Fases: Ferrita y cementita

Aleacin Cu-Be:

1 Fase (1 microconstituyente) = Fase

Fe-0.3C

2

Aleacin Cu-Be

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Tipos de diagramas de fases en funcin del nmero de componentes:

1. Diagramas de fases de sistemas monocomponentes.

2. Diagramas de fases de sistemas bicomponentes o binarios:

a) Con solubilidad total.

b) Con solubilidad parcial.

c) Con insolubilidad total. 3. Diagramas de fases de sistemas ternarios.

Aleacin.- material metlico constituido por la adicin a un metal de uno o ms

elementos (metal o no metal).

Lmite de solubilidad.- concentracin mxima de un soluto en un disolvente para

formar una solucin slida.

Equilibrio.- Un sistema est en equilibrio si G es mnima a T, P, x constantes. Las

caractersticas del sistema no cambian con el tiempo (el sistema es estable).

Diagrama de equilibrio de fases.- Mapa de las fases en equilibrio que estn

presentes en un sistema a varias temperaturas, presiones y composiciones.

3 Dpto. Ciencia e Ing. Materiales e Ing. Qumica

Conceptos generales

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Diagrama de fases del CO2

Sustancias puras composicin cte Diagramas P-T

Lnea de solidificacin Lnea de vaporizacin

Lnea de sublimacin

Punto triple

DIAGRAMAS DE FASES DE SISTEMAS MONOCOMPONENTES

Diagrama de fases del H2O

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Regla de las fases de Gibbs

Grados de libertad: n de variables; presin, temperatura y composicin que se pueden cambiar de forma independiente sin que vare el n de fases en equilibrio.

Diagrama de fases del CO2 F = n fases L = n grados de libertad C = n componentes

2FCL

2211L

1221L

0231L

a

b c

2CLF

Para Sistemas Condensados:

P = cte F+L = C+1

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DIAGRAMAS DE FASES DE SISTEMAS BINARIOS

T T

T T

Composicin

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Diseo de los diagramas de fases a partir de las curvas de enfriamiento T-tiempo

L: solucin lquida homognea de Cu y Ni.

: solucin slida sustitucional de Cu y Ni (FCC).

L+ : coexistencia de las dos fases.

Liquidus: inicio de la solidificacin en un enfriamiento.

Solidus: final de la solidificacin en un enfriamiento. 7

Los componentes son totalmente solubles a cualquier composicin en estado S y L (una nica estructura cristalina). Sistemas isomrficos.

SISTEMAS BINARIOS CON SOLUBILIDAD TOTAL

Se cumplen las Reglas de Hume-Rothery.

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Solubilidad completa en estado slido.

La aleacin no solidifica a una temperatura constante sino en un intervalo de temperaturas.

: Material policristalino monofsico.

Conforme se aade soluto, se modifica la Tf.

A: Fases presentes: (solucin slida)

Composicin de la fase : 20% Ni

A

B

B: Fases presentes: Lquido + solucin slida

Composicin de las fases: Lquido (45% Ni) + (58% Ni)

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Informacin de los diagramas de equilibrio

Fases presentes: L +

0C SCLC

T

Composicin de cada fase:

Aleacin Cu-Ni con C0 = 40% Ni a 1250 C

CL = Comp. lquido

CS = Comp. slido

Cantidad de cada fase: Regla de la palanca

R S

100100 0 *CC

CC*

SR

SLiq%

LS

S

100*100*% 0

LS

L

CC

CC

SR

RSlido

Expresiones conservacin de masa:

1) WS + WL = 1

2) Mcomponentes = Mtotal: WSCS + WLCL= C0

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Ejemplo: Indicar las fases presentes, su composicin y su cantidad, en el sistema Cu-Ni para una aleacin con un 53% de Ni y a T = 1300C

Cantidad de cada fase: Balance de conservacin de masa:

Global: WL+W =1 Componente (Ni): WL CL + W C = C0

L

L0

L

0L

CC

CCW

CC

CCW

615.04558

4553W385.0

4558

5358W L

CL C0 C

Fases presentes: Lquido + Composicin de las fases: Lquido: 45% Ni : 58% Ni


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DESARROLLO MICROESTRUCTURA EN LA SOLIDIFICACIN

Enfriamiento lento para que las fases se mantengan en equilibrio.

Aleacin 35% Ni, 65% Cu

enfriada desde 1300C.

a) Lquido 35% Ni, 65% Cu.

b) 1270C, Slido : 49% Ni, 51% Cu;

Lquido: 35% Ni, 65% Cu

c) 1250C, Lquido: 30% Ni, 70% Cu;

Slido : 43% Ni, 57% Cu

d) 1220C, Lquido: 23% Ni, 77% Cu;

Slido : 35% Ni, 65% Cu.

e) Disolucin Slida con composicin

uniforme: 35% Ni + 65% Cu

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No se produce reajuste de composicin por difusin al T.

Microsegregacin: distribucin no uniforme de los dos elementos dentro de los granos. Interior rico en el componente de Tf y exterior rico en el de Tf (microestructuras de composicin heterognea)

* Consecuencias: - Retraso de la solidificacin. - Drstica prdida de la integridad mecnica.

* Se elimina con tratamiento trmico de homogeneizacin a T < Tsolidus.

Solidificacin fuera del equilibrio (enfriamiento moderado o rpido)

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REACCIONES INVARIANTES

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Lnea Solvus variacin de la solubilidad con la temperatura de cada componente en cada fase.

: solucin slida rica en Pb

: solucin slida rica en Sn

Reaccin eutctica: 183C

L ( 61.9% Sn) (19,2% Sn) + (97,5% Sn)

Eutctico: punto invariante en el que una fase lquida se transforma en dos fases slidas.

SISTEMAS BINARIOS CON SOLUBILIDAD PARCIAL

Sistema Pb-Sn. Solubilidad parcial en estado slido.


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Formacin de microestructuras:

Aleacin de composicin eutctica C0 = CE = 61.9%Sn

Punto eutctico

T eutctica (183C)

C eutctica (61.9% Sn)

Liquidus

Solidus

Solvus

: solucin slida rica en Pb

: solucin slida rica en Sn

Microconstituyente eutctico:

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Microconstituyentes : 1 Microconstituyente Eutctico

Fases: 2 y

Composiciones de las fases: C =19% Sn C =99% Sn

Cantidad de fases:

1001000*

CC

CC*

RS

S%

%3.46100*1999

6299%

%8.532.46100%

Ejemplo: Indicar las fases presentes, su composicin y su cantidad, en el sistema Pb-Sn para una aleacin con un 61.9% de Sn y a T

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a) Sn-50%In

b) Al-13%Si

c) Al-33%Cu

d) Mg-37%Sn

Morfologa Microconstituyente Eutctico: Ejemplos

Laminar Columnar

Acicular Globular

c) Laminar d) Columnar

a) Globular b) Acicular

Microestructuras eutcticas, morfologas:

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Aleacin Pb-Sn con composicin 0-2% Sn (Co = 1% Sn)

a) 350C, 1% Sn, [lquido]

b) 330C. Se empieza a formar fase slida . [ + L]

c) 270C. 1% Sn, [Fase ]

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Aleacin Pb-Sn composicin 2-19,2 % Sn (Co=16%Sn)

d) 350C, 16% Sn, [Lquido]

e) 270C. Se empieza a formar fase slida . [ + L]

f) 192C. 16% Sn, [Fase ]

g) 121C. [Fases + ]

Al pasar de f a g la solubilidad de Sn en Pb disminuye y empiezan a formarse partculas de fase que irn creciendo al T.


Aleacin hipoeutctica C0 < CE

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Estructura eutctica

primaria o proeutctica

Aleacin Pb-Sn con composicin 19-61.9 % Sn (Co = 30% Sn)

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Ejemplo 1: Indicar las fases presentes, su composicin y su cantidad, en el sistema Pb-Sn para una aleacin con un 30% de Sn y a T

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Reaccin eutctica: L A+B

Ejemplo: Bi-Cd


SISTEMAS BINARIOS CON INSOLUBILIDAD TOTAL

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Eutectoide: punto invariante en el que una fase slida se transforma simultneamente en dos fases slidas.

Ej: Cu-Zn a 558C (75% Zn)

)%78()%71()%73( ZnZnntocalentamie

toenfriamienZn

OTRAS REACCIONES INVARIANTES

+

Monotctico: punto invariante en el que una fase lquida se transforma en una fase slida y otra lquida.

L1 L2 +

Ej: Cu-Pb a 955C (36%Pb)


)%0()%87()%36( 2 PbPbLntocalentamie

toenfriamienPbL

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Peritctico: punto invariante en el que una fase slida y una lquida se transforman en una fase slida.

Ej: Cu-Zn a 598C y 78.6% Zn

)%6,78()%88()%5,76( Znntocalentamie

toenfriamienZnLZn

L +


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+

Peritectoide

Peritectoide: punto invariante en el que dos fases slidas se transforman en otra fase slida.

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Las fases terminales se presentan en los extremos de los diagramas de fases, ligando con los componentes puros. En el diagrama Cu-Zn, y son fases terminales mientras que , , y son fases intermedias.

DIAGRAMAS CON FASES Y COMPUESTOS INTERMEDIOS

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Compuestos intermetlicos: compuestos formados por dos elementos con una composicin y estequiometra definidas. Se muestra en el diagrama de fases como una lnea vertical de composicin definida. Ej: Ti3B4.

Compuestos no estequiomtricos: el compuesto se representa como un campo de estabilidad en el diagrama de fases. Ej: TiB, TiB2.

27 Dpto. Ciencia e Ing. Materiales e Ing. Qumica % peso Boro

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Fusin Congruente: al pasar de S a L no se altera la composicin. Ej: MgNi2

Fusin Incongruente: al pasar de S a L se altera la composicin.

Ej: Mg2Ni


FUSIN CONGRUENTE E INCONGRUENTE

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