equilibrio de fases y endurecimiento por solucion sólida cuarta sesion

5/19/2018 Equilibrio de Fases y Endurecimiento Por Solucion S lida Cuarta Sesion

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IntroduccinLas propiedades mecnicas de los materiales pueden controlarse

por la adicin de defectos puntuales como tomos sustitucionales eintersticiales. Particularmente en el caso de los metales los defectos

puntuales distorsionan el arreglo atmico en la red, interfiriendocon el movimiento o deslizamiento de las dislocaciones . Por loTanto, los defectos puntuales hacen que el material se endurezca

por solucin slida.

La Introduccin de defectos puntuales modifica la composicin

del material, influyendo sobre el comportamiento durante la

solidificacin

Este efecto se analiza mediante el Diagrama de fases al

equilibrio, a partir del cual se podr predecir como se solidificar

un material tanto en condiciones de equilibrio como fuera de ste


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Definiciones y conceptos fundamentalesLos Materiales puros tienen muchas aplicaciones en la

ingeniera, pero con frecuencia se utilizan aleaciones o mezclas

de materiales. Existen dos tipos de aleaciones: Aleaciones deuna fase y aleaciones de varias fases

Una sustancia pura como el agua puede existir en fase slida,

liquida, o gaseosa en condiciones de temperatura y presin

Componentes:Es un metal o un compuesto que forma parte de una aleacin. Por

ejemplo en un latn CobreZinc, los componentes son el Cu y el

Zn

Fase:Una fase en un material y en trminos de microestructura, es unaregin que difiere de otra en estructura y/o composicin.

Se define como una porcin homognea de un sistema que tienecaractersticas fsicas y qumicas uniformes


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Una fase tiene las caractersticas sgtes.:

1. Una fase tiene una misma estructura o arregloatmico en todo el material.

2.

Una fase tiene aproximadamente unacomposicin y propiedades.

3. Hay una interfase definida entre una fase ycualquier otra que la rodea o que sea su vecina

Ejemplo tpico de fases de una

sustancia pura en equilibrio. El

agua slida, el agua liquida y el

agua vapor, ambas separadas

por un limite de fases


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En este diagrama de fases

presin Temperatura, del

agua existe un punto Triple abaja presin (4579 torr) y bajatemperatura (0.0098 C. En el

que coexisten las fases slida,

liquida y gaseosa del agua

El diagrama de fases en el

Equilibrio se puede construir

para otras sustancia puras

Como por ejemplo:


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Cuando en un sistema hay dos fases, no es necesario que hayadiferencia en las propiedades fsicas y en las propiedadesqumicas: es suficiente que la disparidad est en un solo tipo de

estas propiedades. Por ejemplo

a.- El agua y el hielo estn juntos en un recipiente, existen dos

fases separadas fsicamente distintas., pero qumicamente

idnticas.

Una microestructura de una sola fase puede ser

POLICRISTALINA, pero cada grano del cristal difiere solo en suorientacin cristalina, no en su composicin qumica.

b.- Cuando una sustancia puede existir en dos o mas formas,

donde tiene estructura FCC y BCC, cada una de estas

estructuras es una fase separada porque difieren sus

propiedades fsicas, El Fierro, Slice, etc.


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Un material es MONOFASICOcuando reconociendo punto porpunto a lo largo de una lnea imaginaria, en la composicin

qumica y/o estructura cristalina no varia a lo largo de la misma

(sistema homogneo)


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Una estructura POLIFSICAes cuando se encuentran cambiosabruptos de composicin qumica y/o estructura cristalina

(Sistema heterogneo).


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Soluciones y SolubilidadCuando se empieza a combinar materiales distintos, como al

agregar elementos de aleacin a un metal, se producensoluciones. El Inters es determinar la cantidad de cada materiales solubleen otra fase sin producir fases adicionales


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Solubilidad Ilimitada

Es aquella en donde dos o mas elementos se mezclan encualquier cantidad uno del otro, lo que se obtiene es una solafase, que tendr la misma composicin, propiedades yestructura en todas partes. Al solidificarse a temperaturaambiente producen una fase slida llamada SOLUCION

SLIDA.

Una solucin slida no es una mezcla. Una mezcla contienemas de un tipo de fase y sus componentes conservan sus

propiedades individuales. Los componentes de una solucinslida se disuelven uno en el otro y no retienen suscaractersticas propias


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Despus de la solidificacin, los tomos de cobre y nquel

no se separan, sino que, en vez de ello, se localizan de

manera aleatoria en los puntos de la red FCC. En el interior

de la fase slida, la estructura propiedades y composicin

son uniformes y no existe interfase alguna entre los tomos

de cobre y nquel. Por lo tanto el cobre y el nquel tienen

solubilidad slida ilimitada.


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Solubilidad LimitadaEs aquella en donde dos o mas elementos se mezclan encantidades controladas uno del otro, para obtener una sola fase,

de lo contrario se formar con el exceso de una de ellas otras

soluciones slidas u otras fases en la solucin.


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Condiciones para una solubilidad IlimitadaPara que una solucin tenga solubilidad slida ilimitada debeobedecer a la Regla de Hume - Rothery

1.

Factor de Tamao.- Los tomos deben ser de tamaosimilar, con no mas de 15 % de diferencia en su radioatmico, a fin de minimizar deformaciones en la red.

2. Estructura Cristalina.- Los materiales debern tener unamisma estructura cristalina; de lo contrario, existir algn en

el cual ocurrir la transicin de una fase a otra conestructuras distintas

3.- Valencia.- Los tomos debern tener la misma valencia; de locontrario, la diferencia de electrones alentara la formacin decompuestos, en vez de la formacin de soluciones.

4.- Electronegatividad.- Los tomos deben teneraproximadamente la misma electronegatividad. Si laselectronegatividades difieren de manera significante, denuevo se formara compuestos, como cuando se combina elsodio con el cloro para formar el cloruro de sodio


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La solubilidad de los tomos intersticiales siempre es limitada.

Los tomos intersticiales son mucho mas pequeos que los

tomos del elemento husped, violando por lo tanto la primera de

las condiciones de Hume -Rothery


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Limite de SolubilidadEn muchas aleaciones y para algunas temperatura especificas,

existe una concentracin mxima de tomos de soluto que se

disuelven en el disolvente para formar una disolucin slida es ellimite de solubilidad.

La adicin de un exceso de soluto

a este limite de solubilidad forma

otra disolucin slida ocompuesto con una composicin

completamente diferente. El

limite de solubilidad depende de

la temperatura, por lo tanto en losdiagramas Temperatura vs.

Composicin estn representados

por curvas que se incrementan

con la temperatura


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Equilibrio de FasesEl concepto de equilibrio se describe en trminos de una funcin

termodinmica denominada energa libre.

El trmino equilibrio de fases se refiere al equilibrio aplicado alsistema de mas de una fase. El equilibrio de fases se traducecomo una constante, a lo largo del tiempo, de las caractersticasdel sistema.

La energa libre depende de la energa interna de un sistema y

tambin del azar o desorden de los tomos o molculas

(entropa).

Un sistema esta en equilibrio si la energa libre es mnima encondiciones especificas de temperatura, presin y composicin.


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Diagrama de Equilibrio de FasesLa mayor parte de la informacin sobre el control de lamicroestructura o estructura de fases de una aleacin particularse encuentra recopilada en el llamado diagrama de fases odiagramas de equilibrio de fases.

A partir de las transformaciones de fases, de los cambios queocurren entre fases al modificar la temperatura (generalmente enel subenfriamiento), se originan la mayora de lasmicroestructuras, lo que implica la transformacin de una fase aotra o la aparicin o la desaparicin de una fase.

La utilidad de los diagramas de equilibrio radica en la posibilidad

de la prediccin de la transformacin y de la microestructuraresultante, que puede estar en equilibrio.


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Los diagramas de equilibrio de fases representan las relaciones

entre la estructura y composicin y las cantidades de fases deequilibrio.

La temperatura y la presin (permanece constante a 1 atm) son

parmetros variables de las aleaciones binarias, las que contienen

dos componentes.

Si hay mas de dos componentes el diagrama se complica y surepresentacin es difcil.

En la prctica, los diagramas de fases ampliamente usados por los

Ingenieros, son los diagramas binarios, que representan sistemasde dos componentes, y los diagramas ternarios que representan

sistemas de tres componentes, los cual nos conduce al estudio de

la Regla de Fases de Gibbs.


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Regla de Fases de GibbsLa construccin de los diagramas de fases y las condiciones delequilibrio de fases estn regidos por las Leyes termodinmicas.Una de estas Leyes es la Regla de Fases de Gibbs.

La utilidad de los diagramas de equilibrio radica en la posibilidad

de la prediccin de la transformacin y de la microestructuraresultante, que puede estar en equilibrio.

J.W. Gibbs obtuvo una ecuacin que permite predecir el mximonmero de fases que coexisten en equilibrio para cualquiersistema.

P + F = C + 2

P = nmero de fases que coexisten en un sistema dado

C = nmero de componentes del sistema

F = grados de libertad

2 = variables no composicionales ( T y P) que permanecen cte.

L d l di bi i Ci i d


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La mayora de los diagramas binarios que se usan en Ciencia deMateriales son diagramas temperatura composicin en los quela presin se mantiene constante, normalmente a 1 atm. En estecaso se utiliza la regla condensada.

P + F = C +1

Aplicando la regla de las fases de

Gibbs al diagrama de fases PT del

agua pura

Punto triple: (punto invariante)- Coexisten 03 fases (slido, liquido y

vapor)

- Existe 01 solo componente en el sistema

(agua)

P= 3

C = 1

Entonces aplicando la ecuacin

F = 0 (cero grados de libertad)


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Si se considera cualquier punto de la curva de solidificacinslidolquido del diagrama del agua:

-Existe 02 fases que coexisten (slido y lquido)

-01 componente del sistema (agua)Entonces aplicando la ecuacion de Gibbs; F = 1

Este resultado indica que hay un grado de libertad y, por tanto,puede cambiarse una variable ( T o P) independiente y mantener

un sistema con dos fases coexistente. Pero como la presin es 1atm. Solo hay una temperatura a la que puede coexistir tanto lafase liquida como la slida.

Si se considera un punto sobre el diagrama P T del agua dentrode una nica fase, slo habr una fase presente (P = 1), y

sustituyendo en la ecuacion de Gibbs, tenemos F = 2.

Este resultado indica que puede cambiarse independientementedos variables (temperatura y presin) y el sistema aun

permanecer en una nica fase.


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DIAGRAMAS DE FASES BINARIOSUna mezcla de dos metales/compuestos se denominaaleacin binaria y constituye un sistema de doscomponentes, puesto que cada elemento/compuesto seconsidera como un componente por separado.

En algunos sistemas binarios, los dos elementos/compuestos son

completamente solubles entre si tanto en estado slido comolquido. En estos sistemas slo existen un tipo de estructura

cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por

tanto, se les denomina sistemas isomorfos

En otros sistemas binarios, los dos elementos/compuestos son

parcialmente solubles entre si tanto en estado slido comolquido, dando lugar a reacciones de fases: Peritcticas,

eutcticas, Eutectoide, monotcticas y peritectoide. Existiendo

diferentes tipos estructura cristalina


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Diagrama Binarios de SolubilidadCompleta


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Diagrama Binario de Solubilidad ParcialMuchas combinaciones de dos elementos/compuestos producen

diagramas de fases mas complicados que los sistemas isomorfos.Estos sistemas contienen reacciones que implican tres fasesindependientes.

Cada una de las reacciones puede ser identificadas en undiagrama de fases complejos mediante el procedimiento sgte.:

1.- Localice una lnea horizontal en diagrama de fases. La lneahorizontal que indica la presencia de una reaccin de tres fasesrepresenta la temperatura a la cual ocurre la reaccin encondiciones de equilibrio

2.- Localice los tres puntos distintos en la lnea horizontal: losdos extremos, ms un tercer punto, a menudo cerca del centro dela lnea horizontal. El punto central representa la composicin ala cual ocurre la reaccin de tres fases.


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3. Busque directamentepor encima del puntocentral e indique la fase

o fases presentes;busque inmediatamentepor debajo del puntocentral e identifique lafase o fases presentes.

A continuacin escriba, enforma de reaccin, lafase o fases por encimadel punto central que setransforma en la fase o

fases por debajo delpunto. Y compreloesta reaccin con el dela sgte fg.

C id l di d f Id ifi l i


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Considere el sgte. diagrama de fases. Identifique las reacciones

de fases que ocurren

L1

L2

+ L1

+ L1 L1+L2

+L2 +L2

+

+ +

+

+ +

Reaccin Peritctica(1150C) 15% B

+ L1

Reaccin Monotctica

(920C) 40% BL1 + L2

Reaccin Eutctica

(300C) 50% B

+

Reaccin Eutectoide(450C) 20% B

+

Reaccin Peritectoide

(750C) 70% B

L2 +

Di t ti i l i lid


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Diagrama eutctico sin solucin slidaEn este sistema binario los componentes son tan diferentes que lasolubilidad entre uno y otro es casi imperceptible.

L A + B

Reaccin Eutctica


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Diagrama eutctico con solucin slida Limitada

Para muchos sistemas binarios, los dos componentes son

particularmente solubles entre si, formando soluciones slidaslimitadas


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Diversas microestructuras caractersticas de las diferentes regiones

del diagrama de fases Eutctico binario con solucin slida limitada


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Diagramas EutectoideLa transformacin por enfriamiento, de un lquido eutctico a unamicroestructura de grano relativamente fino, de dos fases slidas,

puede describirse como un tipo especial de reaccin qumica.Esta reaccin eutctica puede escribirse como:

L (eutctico) + enfriamiento

Algunos sistemas binarios contienen una analoga de estadoslido de la reaccin eutctica, llamado eutectoide que significaparecidoa eutctico

(eutctico) enfriamiento +


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Diagrama PeritcticoLos componentes puros tienen puntos de fusin bien definidos.Sin embargo algunos sistemas los componentes formaran

compuestos estables que pueden no tener esos puntos de fusinbien definidos

Una simplificacin adicionalque se utiliza es ignorar la

posibilidad de algunasolucin slida entre loscomponentes y loscompuestos intermedios.

Se dice que los componentes

son de fusin congruentes,esto es el liquido que se formaal ocurrir la fusin tiene lamisma composicin que elslido a partir del cual se

form.


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Por otro lado, el compuesto AB (el cual es 50% peso molecular

de A mas 50% peso molecular de B) se dice que es de fusin

incongruente; esto es, el liquido formado al ocurrir la fusin tiene

composicin diferente a la de AB.

El trmino Peritctico, se usa para describir este fenmeno de

fusin incongruente. Peritctico viene de la frase griega que

significa cercanoa la fusin

Di d i i ibilid d i l t d li id


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Diagrama de inmiscibilidad parcial en estado liquidoSon aquellos sistemas en que existen solubilidad parcial alestado lquido

Estas aleaciones presentan en un cierto intervalo decomposiciones dos soluciones lquidas.


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La solubilidad es funcin de la temperatura y por encima de

cierto valor, denominado T critica (Tc), ambos lquidos son

completamente miscibles.

Por encima de Tc el sistema ser monofsico (liquido L) y pordebajo de Tc se separaran dos fases liquidas conjugadas L1 y L2


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Diagramas que forman compuestos qumicosLa forma con que se representan un compuesto qumico en undiagrama de equilibrio es por medio de una lnea vertical. Existendos tipos de compuestos qumicos

Compuestos qumicosestables.- cuando elcompuesto no se

descompone durantesu calentamiento hastasu temperatura defusin. Ejemploaleaciones de Mg - Sn


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Compuesto qumico inestables.- Cuando el compuesto sedescompone durante su calentamiento, como aleaciones Bi - Au


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Interpretacin de los Diagramas de FasesConociendo la composicin y la temperatura de equilibrio, lossistemas binarios suministran la sgte informacin:

1.- Las fases presentes

2.- La composicin de cada fase

3.- La fraccin o porcentaje de cada fase.

Fases Presentes.- Es relativamente fcil averiguar las fasespresentes. Se localiza en el diagrama el punto definido por latemperatura y la composicin y se identifican las fases presentesen este campo. Este puede caer en un campo monobsico o

bifsico.

Determinacin de composiciones de fases.-La primera etapa enla determinacin de la composicin de fases (en trmino de laconcentracin de componentes) consiste en localizar el puntotemperatura composicin en el diagrama de fases. Para lasregiones mono y bifsicas se utilizan diferentes mtodos.


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En el sistema bifsico, se puede imaginar lneas horizontales para

cada temperatura, conocidas como rectas de reparto, lneas deenlace o isotermas

Estas lneas se extienden a lolargo de la regin bifsica y

terminan en un limite de cada

fase en cada extremo. A

partir de estas interseccionesse trazan perpendiculares

hasta cortar al eje horizontal

de las composiciones y estas

ultimas intersecciones

corresponden a las

composiciones de las fases

presentes ( CLy CS)


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Determinacin de la cantidad de fasesRegla de Palanca.El inters se enfoca en las cantidades relativas de cada fase,

presentes dentro de la aleacin. Estas cantidades de expresancomo porcentaje del peso (% peso)

En regiones de una solafase, la cantidad de la fase

simple es 100% . Enregiones bifsicas, sinembargo, se debercalcular la cantidad de cadafase. Una tcnica es hacer

un Balance de materiales.mL+ mSS= 100 g mL = 60 gmSS = 40 g


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La regla de la palanca es una analoga mecnica del clculo delbalance de masa.

Considerando-soluciones slidas y

-composiciones de las fases X, X

-composicin Total: X

-composiciones relativas my m.

Para las dos fases y , elbalance de masa ser:

Xm + Xm= X (m+ m)

balance de masa en funcin decantidades relativas de cada fase


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Desarrollo MicroestructuralEl desarrollo microestructural de las aleaciones binarias esta dadoen el proceso de solidificacin considerando solo el caso de un

enfriamiento muy lento, esto es, el equilibrio se mantieneesencialmente en todos los puntos a lo largo de la secuencia deenfriamiento.Para sistemas binarios en el cual la solubilidad es completa tantoen la fase liquida como en la slida

Para sistemas binarios eutectico


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Desarrollo micro-

estructura durante

el enfriamiento

lento de una

composicin 50%

A50% B, en un

diagrama de fases

con la solucinslida completa, a

cada temperatura,

las cantidades de

las fases en la

microestructura

corresponden a un

calculo con la

regla de la palanca

El cambio en estructura de una aleacin Cu 40% Ni durante la solidificacin


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El cambio en estructura de una aleacin Cu 40% Ni, durante la solidificacin

en equilibrio

C d f i i t di t l i i f


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1280C = Liquidus

1240C = Solidus

Curva de enfriamiento correspondiente a una aleacin isomorfa

durante la solidificacin

D ll i t t l d t l f i i t


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Desarrollo microestructural durante el enfriamiento

lento de una composicin eutctica

Solidificacin y microestructura de una aleacin


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Solidificacin y microestructura de una aleacin

eutctica Pb61.9% Sn

La curva de enfriamiento para una aleacin eutctica presenta una

estabilizacin trmica simple, ya que los eutcticos solidifican o se

funden a una sola temperatura


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C r a de enfriamiento para na aleacin hipoe tctica Pb 30% Sn


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Curva de enfriamiento para una aleacin hipoeutctica Pb30% Sn

Eutctica

L

Liquidus

+ L

+ eutctico

L +

Sn

+ L


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equilibrio de fases y endurecimiento por solucion sólida cuarta sesion

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