REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA

CÁTEDRA: ELEMENTOS CIENCIAS DE LOS MATERIALES

UNIDAD V DIAGRAMAS DE FASE

PROFESOR: ING. LUIS ARTURO LOVERA

SEPTIEMBRE, 2015

INTRODUCCIÓN Las propiedades mecánicas de los materiales pueden controlarse por la adición de defectos puntuales como átomos sustitucionales e intersticiales. Particularmente en el caso de los metales, los defectos puntuales distorsionan el arreglo atómico en la red, interfiriendo con el movimiento o deslizamiento de las dislocaciones. Por tanto, los defectos puntuales hacen que el material se endurezca por solución sólida. Además, la introducción de defectos puntuales modifica la composición del material, influyendo sobre el comportamiento durante la solidificación. Este efecto se analiza mediante el diagrama de fases al equilibrio, a partir del cual se podrá predecir cómo se solidificará un material tanto en condiciones de equilibrio como fuera de éste.

FASE Se denomina fase a cada una de las zonas macroscópicas del espacio de una composición química, y sus propiedades físicas homogéneas , que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan heterogéneos. Es importante distinguir fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; por lo tanto son de fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es frecuente confundir fase y microconstituyente; por ejemplo, en un acero cada grano de perlita es un microconstituyente, pero está formado por dos fases, ferrita y cementita.

FASE Una fase tiene las siguientes características: -Tiene la misma estructura o arreglo atómico en todo el material. -Tiene la misma composición química y propiedades. -Hay una interfase definida entre una fase y cualquier otra que la rodea o que sea su vecina. Por ejemplo, si se encierra un bloque de hielo a una cámara de vacío, el hielo empezará a fundirse y, además, parte del agua se evaporizará. En estas condiciones, se tendrá en coexistencia tres fases: agua sólida, líquida y gaseosa. Cada una de estas formas del agua es una fase diferente; cada una tiene un arreglo único, con propiedades únicas y con un borde y límite bien definido entre ellas.

FASE

Diagrama A Diagrama B

Regla de Fase de Gibbs. Fue derivada de los principios de la termodinámica por Josiah Willard Gibbs en el año de 1870 y describe el número de grados de libertad (F) en un sistema cerrado en equilibrio, en términos del número de fases separadas (P), el número de componentes químicos (C) del sistema y N el número de variables no composicionales (por ejemplo; presión o temperatura). La regla viene dada por:

F = C – P + N

Como ejemplo del uso de la regla de fases, considere el caso del magnesio puro. En la figura 01 aparece un diagrama de fases de un material puro (o de un solo componente) en el cual las líneas dividen las fases de líquido, sólido y vapor

Figura 01. Diagrama de fases del magnesio puro

Determine el grado de libertad, aplicando la regla de fase de Gibbs, en los siguientes puntos (Ver figura 01): a.- Magnesio en estado líquido (Punto A). b.- Magnesio en los límites líquido – sólido (Punto B). c.- Magnesio en el punto triple (Punto X). Solución de la parte (a) Si se observa el diagrama de fases del magnesio puro (figura 01), en el punto (a) se puede decir que el magnesio está en estado líquido; empleando la regla de fases de Gibbs se tendría que:

F = C – P + N

De acuerdo con la ecuación: C es el número de componente, en este caso el componente es el magnesio. P es el número de fases presentes; en el diagrama se puede observar que la fase es líquida y el número de variables (N), es la presión y/o temperatura que afecta el cambio de la propiedad físico y química del material.

De acuerdo a lo explicado anteriormente, el grado de libertad (F) aplicando la regla de fase de Gibbs es el siguiente: C = 1 (Solamente hay un solo componente, que es el magnesio) F = 1 (La fase en el punto A es líquida) N = 2 (Actúa la variable de presión y temperatura) Por lo tanto el grado de liberad es: F = C – P + N F = 1 – 1 + 2 F = 2 El grado de libertad es igual a 2. El estudiante se encargará de realizar la parte (b) y (c)

Soluciones y solubilidad

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de solvente, a determinadas condiciones de temperatura, e incluso presión (en caso de un soluto gaseoso). Puede expresarse en unidades de concentración: molaridad, fracción molar, entre otros. El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.

Diagrama de fases isomorfo

Un diagrama de fases, es una representación gráfica que muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación están presentes dos elementos binarios, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Los diagramas de fases isomorfos , sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada. Des estos diagrama de fases se puede obtener información como temperaturas de liquidus y de solidus así como las fases presentes.

Diagrama de fases isomorfo

Ejercicios Determine la composición de cada fase en una aleación Cu – 40% Ni a 1400ºC, 1260ºC y 1200ºC

Ejercicios

De la resolución anterior se puede decir que: A una temperatura de 1400ºC, la fase es líquida de 40% Ni, el cual corresponde a la composición general de la aleación A una temperatura de 1260ºC, están presente dos fases. Trazando una línea horizontal dentro de la isoterma, se tiene que el punto final de contacto con la línea de liquidus está a 32% de Ni; mientras que la línea de solidus en contacto con la región alfa, está a 50% Ni. A una temperatura de 1400ºC, sólo esta presente la fase alfa, es decir, que está en fase sólida a 40% de Ni.

Principios de endurecimiento por dispersión

En cualquier aleación endurecida por dispersión debe estar presente más de una fase. La fase continua, que por lo general está presente en mayor cantidad , se denomina matriz. La segunda fase presente, por lo general en cantidades menores, es el precipitado. En algunas casos se forman dos fases simultáneamente. Estas estructuras se definen de manera distinta, a la mezcla íntima de fases se le denomina microconstituyente. Existen ciertas consideraciones de tipo general para determinar la forma en que las características de matriz y precipitado afectan las propiedades mecánicas de una aleación metálica, las cuales son: 1.- La matriz deberá ser blanda y dúctil y el precipitado debe ser duro y resistente. El precipitado interfiere con el deslizamiento de las dislocaciones, en tanto que la matriz proporciona cierta ductilidad a la aleación.

Principios de endurecimiento por dispersión

2.- El precipitado duro debe ser discontinuo, en tanto que la matriz, blanda y dúctil debe ser continua. Si el precipitado fuera continuo, se propagarían grietas a lo largo de toda la estructura. Sin embargo, las grietas en el precipitado discontinuo y frágil son retenidas en la interfase precipitado-matriz. 3.- Las partículas de precipitado deben ser pequeñas y numerosas, incrementando la posibilidad de que interfieran en el proceso de deslizamiento. 4.- Las partículas de precipitado deben ser redondas en vez de forma puntiagudas o de aguja, ya que de forma redonda es menos propensa de iniciar grietas. 5.- Grandes cantidades de precipitados incrementan la resistencia a la aleación.

Principios de endurecimiento por dispersión

También se producen materiales de dos fases por razones distintas al endurecimiento; en estos casos, no se aplica las características mencionadas anteriormente. Por ejemplo: La tenacidad a la fractura puede mejorarse al introducir una fase dispersa. Si se incorpora una fase dúctil a una matriz cerámica, o una fase de caucho a un polímero termoestable, se mejora la tenacidad. La formación de una densa red de precipitados en forma de aguja en algunas aleaciones de titanio ayuda a impedir el crecimiento de grietas. La producción de glóbulos de plomo muy blando dentro del cobre mejora su maquinabilidad.

Principios de endurecimiento por dispersión

Figura 02. Consideraciones para un endurecimiento por dispersión eficaz: (a) El precipitado debe ser duro y discontinuo; (b) Las partículas del precipitado deberá ser pequeñas y numerosas; (c) Las partículas del precipitado deberá ser redondas en vez de ser puntiagudas; (d) mayor cantidad de precipitado mayor endurecimiento.

Compuestos Intermetálicos

Las aleaciones endurecidas por dispersión contienen un compuesto intermetálico. Un compuesto intermetálico está constituido por dos a más elementos, produciendo una nueva fase con composición, estructura cristalina y propiedades propias. Por los general los compuestos intermetálicos son muy duros y frágiles. Los compuestos intermetálicos estequiométricos tienen una composición fija. Los aceros se endurecen debido a un compuesto estequiométricos, Fe3C, que tiene una relación fija de tres átomos de hierro a un átomo de carbono. Los compuestos intermetálicos estequiométrico están representados en el diagrama de fases por una línea vertical

Compuestos Intermetálicos

Figura 03. El diagrama de fases aluminio – antimonio incluye un compuesto intermetálico estequiométrico 𝛾

Compuestos Intermetálicos

Los compuestos intermetálicos no estequiométricos pueden tener un rango de composiciones y a veces se conocen como soluciones sólidas intermedias. En el sistema molibdeno-rodio, la fase 𝛾 es un compuesto intermetálico (Figura 04). Dado que la relación de átomos molibdenos-rodio no es fija, 𝛾 puede contener desde 45% hasta 83% en peso de rodio a 1600ºC. Los compuestos intermetálicos se utilizan con ventaja al dispersarlos en un matriz más blanda y dúctil. Sin embargo, existe un interés considerable en el uso de intermetálicos por sí mismos, aprovechando su alto punto de fusión, rígidez y su resistencia a la oxidación y a la termofluencia. Estos nuevos materiales que incluyen el Ti3Al y el Ni3Al, mantienen su resistencia e incluso desarrollan una ductilidad que es aprovechable a temperaturas elevadas (Figura 05).

Compuestos Intermetálicos

Figura 04. El diagrama de fases molibdeno – rodio incluye un compuesto intermetálico no estequiométrico 𝛾

Compuestos Intermetálicos

Figura 05. Resistencia y ductilidad del compuesto intermetálico Ti3Al en comparación con una superaleación convencional de níquel

Diagramas de fases con reacciones de tres fases

Muchas combinaciones de dos elementos producen diagramas de fases más complicados que los sistemas isomorfos. Estos sistemas contienen reacciones que implican tres fases independientes. Estas reacciones son las siguientes: Reacción Eutéctica: Reacción de tres fases mediante la cual una fase líquida se solidifica para producir dos fases sólidas. Reacción Eutectoide: Reacción de tres fases, en la cual una fase sólida se transforma en dos fases sólidas distintas. Reacción Monotéctica: Reacción de tres fases en la cual un líquido, al enfriarse, se transforma en sólido y en un segundo líquido. Reacción Peritéctica: Reacción de tres fases en la cual se combinan un sólido y un líquido para producir un segundo sólido al enfriarse.

Reacción Peritectoide: Reacción de tres fases en la cual se combinan dos sólido para formar un tercer sólido al enfriarse.

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.

Diagrama de fases eutéctico

Figura 06. Diagrama de fases en equilibrio plomo - estaño

Diagrama de fases eutéctico

Figura 07. Solidificación y microestructura de una aleación Pb - 2% Sn. La aleación es una solución sólida monofásica.

Diagrama de fases eutéctico

Figura 07. Solidificación, precipitación y microestructura de una aleación Pb - 10% Sn. Algo de endurecimiento por dispersión ocurre conforme se

precipita el sólido beta.

Diagrama de fases eutéctico

Figura 07. Solidificación, precipitación y microestructura de una aleación Pb - 10% Sn. Algo de endurecimiento por dispersión ocurre conforme se

precipita el sólido beta.

Aleaciones que exceden el límite de solubilidad

La fase alfa es una solución sólida de estaño en plomo. Sin embargo, la solubilidad del estaño en la solución sólida alfa es limitada. A 0ºC, sólo 2% del estaño se puede disolver en alfa. Conforme se incrementa la temperatura, se disuelve más estaño en el plomo hasta que a los 183ºC, la solubilidad del estaño en el plomo se ha incrementado a 19%, la cual va ser la solubilidad máxima. La solubilidad del estaño en el plomo sólido a cualquier temperatura está dada por la línea de solvus. Cualquier aleación que contenga entre 2 y 19% de estaño se enfriará más allá del solvus, excediendo el límite se solubilidad y produciendo una pequeña cantidad de fase beta.

Aleaciones Eutécticas

La aleación que contiene 61,9% de estaño es de composición eutéctica (figura 06). Por encima de los 183ºC la aleación es totalmente líquida y debe contener 61,9% de estaño. Despues que se enfría el líquido hasta los 183ºC la reacción eutéctica se inicia. Figura 08. Solidificación y microestructura de la aleación eutéctica Pb – 61,9% de estaño.

Ejercicios En el siguiente diagrama, identifique las reacciones de tres fases que ocurren.

Ejercicios SOLUCIÓN: A 1150ºC, la reacción es peritéctica y tiene una composición de 15% de B. A 920ºC, la reacción es monotéctica y tiene una composición de 40% de B. A 750ºC, la reacción es eutéctica y tiene una composición de 70% de B. A 450ºC, la reacción es eutectoide y tiene una composición de 20% de B. A 300ºC, la reacción es peritectoide y tiene una composición de 50% de B