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Tema 3. Diagramas de fases binarios 1

TEMA 3. DIAGRAMAS DE FASES BINARIOS

3.1. INTRODUCCIN

3.2. SOLUCIONES SLIDAS

3.3. SOLUBILIDAD TOTAL

3.4. REACCIONES INVARIANTES

3.5. EJEMPLOS

MICROESTRUCTURA PROPIEDADES MECNICAS

DIAGRAMAS DE FASES

Dan informacin sobre:

Qu microestructura debe existir a una T para una composicin determinada Microestructura de equilibrio

Naturaleza, cantidad, tamao, forma, distribucin y orientacin de las fases que lo constituyen

Solubilidad de un componente en otro

Control de tratamientos trmicos

Fusin, moldeo, cristalizacin, etc.


3.1. INTRODUCCIN


Los diagramas de fases binarios o de equilibrio binarios representan el equilibrio termodinmico de las fases que se forman entre dos componentes, para cualquier temperatura y presin.

Muestran el estado de mnima energa que queda caracterizado cuando se conocen P, T y C

Al representar estados de equilibrio los cambios que se produzcan en sus variables tienen que ser muy lentos para que se llegue a estabilizar el sistema.

DEFINICIONES

Componente: Metal o compuesto que forma parte de una aleacin

Ejemplo: Latn (aleacin de Cu-Zn) Cu y Zn son los componentes

Sistema: Serie de posibles aleaciones consistentes en los mismos componentes sin referirse a las proporciones de stos en la aleacin

Ejemplo: Sistema Fe-C para el acero

Fase: Porcin homognea de un sistema que tienen caractersticas fsicas y qumicas uniformes. Si en un sistema hay ms de una fase cada una tiene sus propiedades caractersticas y un lmite que las separa de otras fases.

Equilibrio de fases: Equilibrio aplicado a un sistema de ms de una fase

3.1. INTRODUCCIN


Microestructura: Se caracteriza por el n de fases, la proporcin y distribucin de stas

Microconstituyente: Elemento de una microestructura con una estructura caracterstica e identificable

Regla de la horizontal: La composicin de las fases en equilibrio en una regin bifsica de un diagrama binario a una cierta temperatura viene dada por la interseccin de la isoterma, trazada por dicha temperatura, con las lneas representativas de dichas fases.

Regla de la palanca: Las cantidades de las fases en equilibrio en una zona bifsica de un diagrama binario a una cierta temperatura son inversamente proporcionales a los segmentos determinados por el punto representativo de la aleacin a dicha temperatura y los que indican la composicin de ambas fases

3.1. INTRODUCCIN


3.1. INTRODUCCIN

La regla de las fases

Los grados de libertad (L) de un sistema son el n de variables independientes del sistema

La regla de las fases de Gibbs permite obtener el n de fases microscpicas que coexisten en equilibrio asociados a una condicin de estado, en base al nmero de componentes (C) y fases presentes (F), teniendo en cuenta la existencia de dos variables termodinmicas independientes, normalmente presin y temperatura.

F+L=C+2

Generalmente los diagramas de fases son a P=cte F+L=C+1

Supongamos un sistema de un componente y considerando la regla de las fases:

F + L = 1 + 2 = 3

Como L no puede ser negativo, nicamente podrn existir una, dos o tres fases.


3.1. INTRODUCCIN

Diagrama de fases de un componente

Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases slida, lquida y gaseosa, dependiendo de las condiciones de T y P

Zonas abiertas.

Son las regiones en las que existe una nica fase, por tanto L = 2 (presin y temperatura)

Lneas.

En esta zona coexisten dos fases por tanto L = 1 (presin o temperatura)

Curva de sublimacin.

Curva de fusin

Curva de vaporizacin

Punto Triple.

Coexisten las tres fases en equilibrio, por tanto L = 0


3.1. INTRODUCCIN

Diagrama de fases binarios

Normalmente se trabaja a presin atmosfrica L = C - F + 1 diagramas temperatura-

composicin = diagramas de fases binarios

Condiciones de equilibrio en sistemas binarios son muchas, nosotros estudiaremos las de solubilidad total en estado lquido y algunas reacciones que transcurren en estado slido:

-Miscibilidad completa en estado slido

-Miscibilidad parcial en estado slido: reacciones eutcticasy peritcticas

-Transformaciones en estado slido: eutectoidey peritectoide


Solucin slida o disolucin slida

Fase que contiene una mezcla de ms de un elemento originando una fase con estructura, propiedades y composicin uniformes.

Una solucin slida se forma cuando los tomos de soluto se adicionan al material y la estructura cristalina original no se modifica.

En la solucin slida hay que distinguir entre soluto y disolvente.

Existen sustitucionales o intersticiales segn las posiciones que ocupen los tomos de soluto. Se mantienen la estructura cristalina del disolvente. Se representan con letras del alfabeto griego.


Al solidificar puede ocurrir:

Que la solubilidad sea total

Que la solubilidad sea parcial

Que la solubilidad sea nula

Que se formen nuevos compuestos qumicos

Lmite de solubilidad: Concentracin mxima de tomos de soluto que se disuelven en un disolvente para formar una solucin slida a una temperatura especfica

Una ss no saturada: el disolvente disuelve menos soluto del que podra disolver a una presin y temperatura dada.

Una ss saturada: disuelve la cantidad lmite de soluto.

Una ss sobresaturada: se disuelve ms soluto del que se debiera en condiciones de equilibrio. Inestable.



Tema 2: Estructura de los materiales 10

Un ejemplo de solucin slida en metales lo constituyen el Cobre y el Nquel.

Solucin Slida Sustitucional

Intervalo de solubilidad de ss (Hume-Rothery):

Factor de estructura cristalina: ss total se consigue cuando poseen el mismo tipo de estructura cristalina.

Factor de tamao relativo: se forma ss cuando la diferencia de radios es menor del 15%.

r>15% la ss esta muy limitada. Ej. Sistema Ag-Pb

Factor de afinidad qumica: Las electronegatividades deben ser lo ms parecidas ya que si no reaccionaran y formaran nuevos compuestos.

Factor de valencia relativa: Deben tener valencia similar. Un metal de mayor valencia tiende a disolver ms a un metal de menor valencia que al contrario.


Tema 2: Estructura de los materiales 11

Solucin Slida Intersticial

Mayora materiales metlicos el empaquetamiento atmico es alto y los intersticios son pequeos

Los dimetros de los tomos que constituyen las impurezas intersticiales deben ser sustancialmente ms pequeos que los del material original

Las ss intersticiales: de tomo de soluto 0,6 de disolvente

Metales comerciales r: 1,25 (Co) 1,75 (Pb)

Los elementos que entrarn intersticialmente r < 1,05 (H, O, C, B, S )

Un ejemplo de este tipo de impureza intersticial lo constituyen el carbono y el hierro. Un acero es una solucin slida intersticial de C en Fe, en la que el Fe admite como mximo un 2% de C



Sistema Pb-Sn. Presenta 2 fases : Solucin slida de Sn en Pb

19,2 %Sn en Pb es la mxima solubilidad a 183 C : Solucin slida de Pb en Sn 2,5 %Pb en Sn es la mxima solubilidad a 183 C

Lnea de LIQUIDUS

Lnea de SOLIDUS



3.3. SOLUBILIDAD TOTAL

Cuando forman una solucin slida en todo el rango de concentraciones entre dos componentes = Solubilidad completa (ilimitada) en estado slido.

Ej. Ag-Au y Cu-Ni

(solucin slida A-B)


3.3. SOLUBILIDAD TOTAL: Cu-Ni

32 43

Aleacin Cu-35Ni

Composicin de las fases

A 1250 C L+ (L-32%Ni y -43% Ni)

Cantidad de fases:

% = (35-32)/(43-32) x100=27,27%

%L = (43-35)/(43-32)x100=72,73%

Evolucin de la microestructura durante la solidificacin de la aleacin Cu-35Ni


3.3. SOLUBILIDAD TOTAL: Cu-Ni


Lquido (L) slido 1 () + slido 2 ()


5.4.1. REACCIN EUTCTICA: Ejemplo Pb-Sn


Microestructura de una aleacin de composicin eutctica



Microestructura de una aleacin de composicin hipoeutctica


Lquido (L) + slido 1 () slido 2 ()

El nuevo slido puede ser una solucin slida intermedia o un compuesto


3.4.2. REACCIN PERITCTICA



El nuevo slido es un compuesto

3.4.2. REACCIN PERITCTICA


3.4.3. TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDO


Reaccin eutectoide slido 1 () slido 2 () + slido 3 ()



Reaccin peritectoide slido 1 () + slido 2 () slido 3 ()


3.4.3. TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDO


3.5. EJEMPLOS: DIAGRAMA Cu-Zn

Pto de fusin del Cu

Pto de fusin del Zn


P Reaccin Peritctica + L

+ L

E Reaccin Eutectoide +

E

P

P

3.5. EJEMPLOS: DIAGRAMA Cu-Zn


Ptos singulares?

Reacciones invariantes?

3.5. EJEMPLOS: DIAGRAMA Fe-C

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