Diapositiva 1

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UNIDAD 5 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS
(Diagramas de fases)
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En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se
utilizan aleaciones.
Monofásica Polifásica
Aleación
Aleación monofásica
Aleación polifásica
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Definición de Fase Toda porción, que puede
incluir a la totalidad de un sistema, que es
físicamente homogénea dentro de sí misma y
limitada por una superficie, de tal modo que sea
mecánicamente separable de cualquier otra porción.

• Una fase tiene las siguientes
  características
• La misma estructura y ordenamiento atómico en
  todo el material.
• Tiene en general la misma composición y
  propiedades en su interior.
• Hay una interfase definida entre la fase y
  cualquiera de las otras fases circundantes.

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Fase Una fase de un material, en términos de su
microestructura, es una región que difiere en
estructura y/o composición de otra región.
Agua líquida Hielo Vapor de agua
agua
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• Diagramas de fases
• Son representaciones gráficas de las fases que
  están presente en un sistema de materiales a
  varias temperaturas, presiones y composiciones.
• De los diagramas de fases se puede obtener la
  siguiente información
• Mostrar que fases están presentes a diferentes
  composiciones y temperaturas
• Determinar la temperatura a la cual una aleación
  enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza
  a solidificar y el rango de temperatura en el que
  se presenta la solidificación.
• Conocer la temperatura a la cual fases
  diferentes comienzan a fundir.

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Diagramas de fases de sustancias puras Una
sustancia pura puede existir en las fases sólida,
líquida y vapor, dependiendo de las condiciones
de temperatura y presión.
Diagrama de fases en equilibrio presión
-temperatura para el agua
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Punto triple presión y temperatura a la que
están en equilibrio (coexisten) tres fases de un
material
Diagrama presión-temperatura carbono
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Diagrama de fases en equilibrio presión
temperatura, hierro puro
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Es importante conocer el comportamiento de un
material con la temperatura. Tres ejemplos -
Cuando el ejército nazi, se encontró en campo
soviético durante el frío invierno, no habían
tenido en cuenta que todo su armamento metálico,
iba a sufrir las consecuencias del frío. A -40
ºC, los aceros pueden contraerse entre 1 - 4, en
función del contenido de carbono. En otras
palabras, pensar en un tubito por donde sale una
bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha
encogido 2 ó 3mm
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- El PTFE, (teflón) en estado 100 sólido, puede
soportar hasta los 270ºC, sin perder sus
propiedades, y en cortos periodos de tiempo,
hasta los 315ºC por qué no más allá? Resulta que
a partir de 325ºC, el PTFE empieza a
carbonizarse, y a emitir unos vapores que son
bastante tóxicos.
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- En los aceros, existen una fase de transición,
donde el material cambia su capacidad de
deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil.
Cuando se recuperaron partes del casco del
malogrado Titanic, se realizaron los ensayos para
determinar la temperatura de transición del acero
utilizado, determinando que era -15 ºC. Así que
el empleo de ese material, la temperatura del
agua por donde andaban, además de otros detalles
estructurales como las uniones entre planchas,
provocó la ruptura del casco, y el hundimiento
del barco. La culpa no fue solamente el choque
contra el iceberg.
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Solubilidad y soluciones sólidas Cuando se
mezclan diversos componentes o materiales, como
por ejemplo cuando se agregan elementos aleantes
a un metal, se pueden formar soluciones sólidas o
líquidas.
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Solución sólida Fase sólida formada por la
combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única
estructura (fase) y de composición variable (por
ser una solución, hay un rango de solubilidad).

• Solubilidad de soluciones sólidas
• Solubilidad total (completa)
• Solubilidad parcial o limitada
• Insolubilidad total

Mezcla formada por dos o más fases, cuyas
características se mantienen cuando se forma la
mezcla.
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a) Solubilidad total b) solubilidad limitada
c) insolubilidad total
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a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles
entre sí, las aleaciones sólidas de Cu y Ni
tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y
Zn que contienen más de 30 de Zn se forma una
segunda fase por la solubilidad limitada del Zn
en el Cu
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Límite de solubilidad Para una temperatura
específica, existe una concentración máxima de
átomos de soluto que se disuelven en el
disolvente para formar una solución sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua
azucarada
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TIPOS DE SOLUCION SOLIDA Es la fase cristalina
única y homogénea que contiene dos o mas especies
químicas, se dividen en dos tipos a)
INTERSTICIALES Cuando el átomo de soluto es lo
bastante pequeño para ocupar espacios abiertos
entre átomos adyacentes en la estructura
cristalina se forma una SOLUCION SOLIDA
INTERSTICIAL. b) SUSTITUCIONAL. Es cuando los
átomos del soluto se encuentra en alguno de los
puntos reticulares del solvente, siendo la
distribución al azar.
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Solución sólida sustitucional los átomos de B
ocupan posiciones de la red A
Solución sólida intersticial los átomos B ocupan
posiciones intersticiales de la red A
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• Soluciones sólidas sustitucionales
• En las soluciones sólidas sustitucionales, los
  átomos de soluto sustituyen en términos de
  posición, a los átomos de la matriz.
• Para que un sistema de aleación, como el de
  Cu-Ni, tenga solubilidad sólida ilimitada, deben
  satisfacerse ciertas condiciones conocidas como
  las Reglas de Hume- Rothery
• El radio atómico de cada uno de los dos
  elementos no debe diferir en más del 15,para
  minimizar la deformación de la red.
• Los elementos no deben formar compuestos entre
  sí. Es decir, no debe haber diferencias
  apreciables en la electronegatividad de cada
  elemento.
• Los elementos deben tener la misma valencia.
• La estructura cristalina de cada elemento de la
  disolución sólida debe ser la misma

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(No Transcript)
21
Ejemplo
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Solución sólida intersticial En las soluciones
sólidas intersticiales, los átomos de soluto se
sitúan en los intersticios que hay entre los
átomos del cristal.
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• Un diagrama de fases muestra las fases y sus
  composiciones en cualquier combinación de
  temperatura y composición de la aleación.
• Se tienen 3 tipos de diagramas
• Tipo I Solubilidad total al estado sólido y
  liquido
• Tipo II Solubilidad total al estado liquido e
  insolubilidad al estado sólido
• Tipo III Solubilidad total al estado liquido y
  solubilidad parcial al estado sólido.

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(No Transcript)
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Tipo I Solubilidad total al estado sólido y
liquido
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Información de los diagramas de fases

• Temperatura liquidus y solidus
• Fases presentes
• Composición de cada fase
• Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
• Solidificación de aleaciones

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• Temperatura liquidus y solidus
• La temperatura liquidus o de líquido se define
  como aquella arriba de la cual un material es
  totalmente líquido.
• La temperatura solidus o de sólido, es aquella
  por debajo de la cual esa aleación es 100 sólida
• La diferencia de temperaturas entre la de
  líquido y la de sólido es el intervalo de
  solidificación de la aleación

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b) Fases presentes El diagrama de fases puede
considerarse como un mapa de caminos si se
conocen las coordenadas, temperatura y
composición de la aleación, se pueden determinar
las fases que se encuentren presentes.
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c) Composición de cada fase Cada fase presente
en una aleación tiene una composición, expresada
como el porcentaje de cada elemento en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo una fase en
la aleación, la composición de la fase es igual a
la composición general de la aleación. Cuando
coexisten dos fases, como líquido y sólido, la
composición de ambas difiere de la composición
general original. Usualmente la composición
está expresada en porcentaje en peso.
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c) Composición de cada fase Se utiliza una línea
de enlace o isoterma para determinar la
composición de las dos fases Una línea de enlace
o isoterma es una línea horizontal en una región
de dos fases, que se traza a la temperatura de
interés. Los extremos de la isoterma representan
la composición de las dos fases en equilibrio.
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Ejemplo Determine la composición de cada fase en
una aleación Bi 50 Sb a 550 ºC, 400 ºC, 350 ºC
y 300 ºC
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d) Cantidad de cada fase (regla de la
palanca) Conocer las cantidades relativas de cada
fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de fases del cobre-níquel y
la aleación de composición C0 a 1250C, donde C?
y CL representan la concentración de níquel en el
sólido y en el líquido y W? y WL las fracciones
de masa de las fases presentes.
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La deducción de la regla de la palanca se
fundamenta en dos expresiones de conservación de
la masa En primer lugar, tratándose de una
aleación bifásica, la suma de las fracciones de
las fases presentes debe ser la unidad
En segundo lugar, las masas de los componentes
(Cu y Ni) deben coincidir con la masa total de la
aleación
Las soluciones simultáneas de estas dos
ecuaciones conducen a la expresión de la regla de
la palanca para esta situación particular
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En general, la regla de la palanca se puede
enunciar como

• Se puede aplicar la regla de la palanca en
  cualquier región de dos fases de un diagrama de
  fases binario.
• Se utiliza para calcular la fracción relativa o
  porcentual de una fase en una mezcla de dos
  fases.
• Los extremos de la palanca indican la
  composición de cada fase (es decir, la
  concentración química de los distintos
  componentes)

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Ejemplos 1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni
que se adjunta, describir el enfriamiento lento
de una aleación de 30 de Ni y determinar su
composición a 1200 ºC. 2. Una aleación compuesta
de 2 kg de Cu y 2 kg de Ni se fundió y
posteriormente se enfrió lentamente hasta 1300
ºC. Utilizando el diagrama de equilibrio Cu-Ni,
calcular la concentración y el peso de las fases
presentes a dicha temperatura. 3. En el sistema
Cu-Ni, haga el análisis de fase para una
aleación 50 de Cu a 1400 ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y
1100 ºC.
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e) Solidificación de una aleación

• Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se
  presentan dos tipos de solidificación
• Si la solidificación es extraordinariamente
  lenta, ésta ocurre según el diagrama de
  equilibrio de fases.
• En la práctica la velocidad de enfriamiento es
  mayor a la ideal y por ello se produce una
  distribución no homogénea del soluto en el
  sólido, esto es conocido como segregación.

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e) Solidificación de una aleación en el equilibrio
Acero de baja aleación
Cambio de la estructura de una aleación Cu 40
Ni durante su solidificación
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(No Transcript)
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Solidificación fuera de equilibrio y segregación
Un proceso de enfriamiento normal se realiza en
unos pocos minutos o a lo más unas pocas horas,
por lo cual las condiciones de equilibrio no se
logran. Al solidificar el metal se producen
gradientes de concentración que no logran
equilibrarse debido al insuficiente tiempo del
que se dispone, originando pérdidas de
propiedades mecánicas.
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• Ejemplo
• Para las aleaciones NiO-30 mol MgO, NiO-45 mol
  MgO y NiO-85 mol MgO
• Determinar la temperatura liquidus, solidus y el
  intervalo de solidificación
• Determine las fases presentes, la composición y
  cantidad de cada fase a 2400 ºC

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Ejemplo Considere una aleación, cuya composición
promedio contienen 60 de antimonio. Comenzando a
550 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 300 ºC,
suponiendo que prevalecen condiciones de
equilibrio, determine (a) Las fases presentes
(b) La composición y cantidad de cada fase (c) La
microestructura
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Tipo II Solubilidad total al estado liquido e
insolubilidad al estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que
sean totalmente insolubles uno en otro. Sin
embargo, en algunos casos la solubilidad es tan
limitada que prácticamente pueden considerarse
como insolubles.
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El punto de intersección de las líneas liquidus,
se denomina punto eutéctico.
E
La temperatura correspondiente a este punto, se
llama temperatura de solidificación del eutéctico
La composición 40A-60B, correspondiente a este
punto, se conoce como composición eutéctica.
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Cuando el líquido de composición eutéctica se
enfría lentamente hasta la temperatura eutéctica,
la fase líquida se transforma simultáneamente en
dos fases sólidas. Esta transformación se conoce
como reacción eutéctica y se escribe
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Aleación 1 aleación eutéctica Aleación 3
aleación hipoeutéctica Aleación 2 aleación
hipereutéctica
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a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1
49
b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2
50
c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3
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(No Transcript)
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Sistema Al-CuAl2
Sistema Fe C Eutéctico ? - Fe3C
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Aleación hipereutéctica Al-Si (Silicio primario)
Aleación hipereutéctica Fe-C (cementita primaria)
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Ejemplo
55

• Ejemplo
• Para las aleaciones As-15 Au, aleación de
  composición eutéctica y As-85 Au, Comenzando a
  1100 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 500 ºC,
  suponiendo que prevalecen condiciones de
  equilibrio, determinar
• (a) las fases presentes
• (b) la composición de cada fase
• la cantidad de cada fase
• la microestructura

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Tipo III Totalmente soluble al estado líquido y
parcialmente solubles al estado sólido
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Solvus líneas llamadas curvas de solubilidad,
indican la solubilidad máxima (solución saturada)
de B en A (solución ?) o de A en B (solución ?)
en función de la temperatura. El punto E, como
en el tipo II, es el punto eutéctico Reacción
eutéctica
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a) Aleaciones de solución sólida
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b) Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad
60
c) Aleaciones hipoeutécticas
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d) Aleación eutéctica
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Ejemplo
Ejemplos
1)
2)
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• Ejemplo
• En una aleación Pb-15 Sn que se solidifica
  lentamente, determine
• La composición del primer sólido que se forma
• La temperatura de liquidus, la del solidus, la de
  solvus y el intervalo de solidificación
• Las cantidades y composiciones de cada fase a 260
  ºC
• Las cantidades y composiciones de cada fase a
  183 ºC
• Las cantidades y composiciones de cada fase a 184
  ºC
• Las cantidades y composiciones de cada fase a 182
  ºC
• Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºC
  
• Repetir de a hasta g para una aleación Pb-70 Sn

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• Ejemplo
• En una aleación Cu-10 Ag que se solidifica
  lentamente, determine
• La composición del primer sólido que se forma
• La temperatura de liquidus, la del solidus, la de
  solvus y el intervalo de solidificación
• Las cantidades y composiciones de cada fase a
  1000 ºC
• Las cantidades y composiciones de cada fase a
  850 ºC
• Las cantidades y composiciones de cada fase a 781
  ºC
• Las cantidades y composiciones de cada fase a 779
  ºC
• Las cantidades y composición de cada fase a 600
  ºC
• Repetir de a hasta g para aleación Cu-30 Ag y
  Cu-80 Ag

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Ejemplo Considere 1 kg de una aleación de moldeo
de aluminio con un 10 en peso de Si. a) Cuál
es la primera fase sólida y cual es su
composición? b) A qué temperatura solidificará
completamente la aleación? c)Qué cantidad de
fase proeutéctica se encontrará en la
microestructura? d) Cómo se distribuye el
silicio en la microestructura a 576 ºC?
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(No Transcript)