Diagramas de Fase

DIAGRAMAS DE FASE

Conceptos bsicos

ProcesadoEstructura

Funcin Ingeniera de los Materiales

Diseo de la estructura para conseguir propiedades especficas.

Estructura

Propiedades

Ciencia de los Materiales

Estudia las relaciones entre estructura y procesado de los materiales.

Propiedades

Procesado

Funcin

Objetivos generalesObjetivos generales::

Conocer los trminos y conceptos fundamentales Conocer los trminos y conceptos fundamentales

para comprender los diagramas de equilibrio.para comprender los diagramas de equilibrio.

Conocer la finalidad/utilidad de los diagramas de Conocer la finalidad/utilidad de los diagramas de

Diagramas de fase (I)Diagramas de fase (I)

Conocer la finalidad/utilidad de los diagramas de Conocer la finalidad/utilidad de los diagramas de

equilibrio en general: relacin procesadoequilibrio en general: relacin procesado--estructuraestructura--

propiedades.propiedades.

Predecir el comportamiento y las caractersticas de Predecir el comportamiento y las caractersticas de

un sistema binario cuando ste es enfriado en un sistema binario cuando ste es enfriado en

condiciones de equilibrio y de no equilibrio.condiciones de equilibrio y de no equilibrio.

ndice :

Conceptos bsicos.

Diagramas de sustancias puras.

Regla de las fases de Gibbs.


Diagramas de fase isomrficos binarios.

Interpretacin y microestructura en sistemas

isomrficos binarios.

Solidificacin de no equilibrio en sistemas

isomrficos binarios.

Estructura cristalina (BCC, FCC) + defectos presentes + tamao de

grano

ProcesadoComposicin

Enlace

Condiciones presin, temperatura+


grano

PROPIEDADES

MICROESTRUCTURA

Diagramas de fase (I)Diagramas de fase (I)Qu propiedades quiero que tenga un material?

-Dureza-Tenacidad-Resistencia a la traccin-Resistencia a la oxidacin

Puede que se modifiquen esas propiedades durante l a vida Puede que se modifiquen esas propiedades durante l a vida til del material?

Estar sometido a alta o baja presin?

Estar sometido a alta o baja temperatura?

Sufrir cambios de presin/temperatura?

El diagrama de fases informa sobre los cambios en l a microestructura del material con cambios en

composicin, presin y/o temperatura

Conceptos bsicosConceptos bsicos

Componentes : Especies qumicamente reconocibles .

Ejemplo: H 2O y NaCl en agua salada

COMPONENTES Y FASES

En el caso de los materiales metlicos : elemento metlico ocompuesto qumico que forma parte de una aleacin.

Una aleacin binaria contiene dos componentes, una aleaci nternaria tres, etc.

Ej.: Fe y C en acero ordinario,Cu y Zn en un latn,Al 2O3 y SiO2 en aluminosilicato,...

Sistema:

Un cuerpo especfico de un material considerado

Ej.: una cuchara de metal fundido


Conjunto de posibles aleaciones consistentes en los mismos componentes, pero sin referirse a las proporciones de los componentes de la aleacin (acepcin relativa a Diagramas de Fase)

Ej.: Sistema Cu - Ni

Fases: Porciones homogneas de un sistema quetiene caractersticas fsicas y qumicas uniformes.

Ejemplo: una disolucin, un lquido, un slido, ungas, ...

COMPONENTES Y FASES


gas, ...

Dos fases distintas en un sistema estn separados por unlmite de fase definido.

Una fase puede contener uno o ms componentes.

Las propiedades de un sistema multifsico son diferentes delas propiedades individuales de cada una de las fases.

Componentes: agua pura

Fases: vapor de agua (gas) agua (lquida) hielo (slida)

Componentes: agua y alcohol

Fases: solucin agua-alcohol (solubilidad total)

SISTEMAMONOFSICO

COMPONENTES Y FASES

SISTEMATRIFSICO


Componentes: agua y aceite

Fases: agua aceite (lquidos inmiscibles)

Componentes: agua y azcar

Fases: jarabe (solucin agua-azcar) azcar slida (solubilidad parcial)

SISTEMAMONOFSICO

SISTEMABIFSICO

S + L

TRIFSICO

SISTEMABIFSICO

L + L

Tras realizar una mezcla, las fases se corresponden con aquell as regionesde un material que son fsica- y/o qumicamente distintas.

Ejemplo: En una aleacin Al-Cu, y son fases diferentes en composicin (mso menos Al), en estructura (FCC o BCC) y en comportamiento (mayor o menorresistencia).

FASES SLIDAS


AleacinAluminio-

Cobre

Adaptado de fig. 9.0, Callister Ed. 2000

(faseoscura)

(faseclara)

microestructura

Soluto(s): Componente(s) minoritario(s) (en menor concentraci n)

(Di)solucin slida: Aleaciones en los que un componente mayoritario(disolvente) permite la adicin de tomos distintos (solut o) manteniendo suestructura cristalina y sin formar ninguna otra nueva estru ctura. Ej.: Zn en Cuen un latn.

FASES SLIDAS


100BA

AA mm

mC

++++====

Disolvente: Componente mayoritario (en mayor concentracin)

Concentracin (% en peso): Cantidad relativa de un componente.Ej. en una aleacin binaria AB:

CA: concentracin de A (% en peso)mA: masa del componente AmB: masa del componente B

Lmite de solubilidad: Concentracin mxima de soluto que puede disolverse completamente en el disolvente (para formar soluci n slida)

LMITE DE SOLUBILIDAD


En el agua, el alcohol tiene solubilidad ilimitada , el azcar tiene solubilidad limitada y el aceite es insoluble .

BC

A

Lmite de solubilidad: Concentracin mxima de soluto que puede disolverse completamente en el disolvente en unas condiciones de P y T determinadas (ver A vs B)

Los mismos conceptos se

aplican a fases slidas: Cu y

Ni son mutuamente solubles

en cualquier proporcin,

mientras que el Zn tiene

solubilidad limitada en Cu.La solubilidad de un componente en otro viene dada por las reglas

Conceptos bsicosConceptos bsicosLMITE DE SOLUBILIDAD EN SOLUCIONES SLIDAS

solubilidad limitada en Cu. en otro viene dada por las reglas de Hume-Rothery

Perlita: Ferrita + Cementita (Fe3C)

Un sistema monofsico es homogneo mientras que los sistemas con dos o ms fases (polifsicos) son hete rogneos :

SISTEMAS POLIFSICOS O MULTIFSICOS

SISTEMABIFSICO


Acero ordinario

Ferrita: Solucin slida de C en Fe BCC

BIFSICO

SISTEMA MONOFSICO

En las aleaciones metlicas, la microestructura se caracteriza por el nmero de fases, la proporcin y distribuci n de las mismas.Las propiedades de una aleacin dependen no slo de lasproporciones de las fases presentes sino tambin de cmo sedisponen estructuralmente a nivel microscpico.

Perlita: Ferrita + Cementita (Fe C)

MICROESTRUCTURA


Ferrita: Solucin slida de C en Fe BCC

Perlita: Ferrita + Cementita (Fe3C)

Microestructura UN MICRO-CONSTITUYENTE

OTRO MICRO-CONSTITUYENTE

Energa Libre: Es una funcin termodinmica que depende de la energa interna del sistema as como de su entropa (grado de

Equilibrio: Un sistema est en equilibrio cuando su energa libre esmnima. Esto ocurre en condiciones determinadas de tempera tura,presin y composicin. En sentido macroscpico, lascaractersticas del sistema no cambian con el tiempo. El sis tema esestable.

SISTEMAS EN EQUILIBRIO Y SISTEMAS METAESTABLES


energa interna del sistema as como de su entropa (grado de desorden).

Metaestabilidad: Cuando no sealcanza el equilibrio porque lavelocidad con la que evoluciona elsistema hacia dicho equilibrio esdemasiado lenta el sistema esmetaestable (muchos sistemas).Ene

rga

Lib

remetaestable

equilibrio

Muestran las fases presentes en un material y las transformaciones de

Diagramas de equilibrio (diagrama de fases):Representacin grfica de las combinaciones de temperatur a,presin, composicin u otras variables para las que existen enequilibrio una o varias fases especficas.

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE LAS FASES


Muestran las fases presentes en un material y las transformaciones de fase que pueden esperarse cuando uno de los parmetros del sistema (temperatura, presin, composicin) cambia en equilibrio !.

MicroestructuraNos ayudan a entender y predecir las microestructuras de los materiales en

equilibrio, pero no dan informacin directa de la distribucin de las fases

en cada microconstituyente.

Presin atmosfrica

DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA

Diagramas de sustancias purasDiagramas de sustancias puras

Componente: agua pura

Fases: vapor de agua (gaseosa)agua (lquida)hielo (slida)

Variables: presin y temperatura

Componentes:

Fases:

Variables:

DIAGRAMA DE FASES DEL HIERRO


Presin atmosfrica

Componente: Fe puroFases: Fe vapor (gaseoso)

Fe fundido (lquido)Fe , Fe y Fe (slidas)

Variables: presin y temperatura

DIAGRAMA DE FASES DEL HIERRO


Presin atmosfrica

P + F = C + NCriterio para determinar el

nmero de fases que coexisten en un sistema en equilibrio

N de fases presentes

N de grados de

libertad

N de componentes N de variables no

composicionales

Punto A : F = 1 + 2 3 = 0

Regla de las fases de GibbsRegla de las fases de Gibbs

Punto A : F = 1H2O + 2PyT 3s,l,g = 0

Sobre un punto triple se dan 3 fases, pero slo a esas condiciones, si algo vara de esas condiciones exactas de P y T, no se conservarn las 3 fases, por eso no hay grados de libertad .

A

C

B

C N P




N de grados de

libertad


composicionales

Punto B : F = 1 + 2 2 = 1


Punto B : F = 1H2O + 2PyT 2s,l = 1

En el punto B (sobre una lnea ) coexisten 2 fases, s y l. Es posible mantener el nmero de fases (estando siempre sobre la lnea azul) variando dependientemente P y T; por eso hay 1 grado de libertad . Ej. A una P determinada slo hay una T a la que coexistan las 2 fases.

A

C

B

C N P




N de grados de

libertad


composicionales

Punto C : F = 1H2O + 2PyT 1l = 2


En el punto C (sobre un campo monofsico ) se da una sola fase lquida. Es posible mantenerla variando independientemente P y T, y hacen falta esos dos parmetros para describir completamente las caractersticas del sistema cuenta con 2 grados de libertad .

A

C

B

DIAGRAMAS CONVENCIONALES EN SLIDOS

Como los materiales slidos se procesan y trabajan a P atmosfrica, convencionalmente se representan las FASES en un diagrama cuyos EJES son su TEMPERATURA y los % en peso de sus COMPONENTES.

P + F = C + N F = 3 - P =2 campo monofsico1 campo bifsico

Diagramas de mezclas de componentesDiagramas de mezclas de componentes

- Muestran las regiones monofsicas o bifsicas (campos) presentes en equilibrio y

las transformaciones de fase que pueden esperarse cuando uno de los

parmetros del sistema (T o composicin) cambia a P = 1 atm.


N de grados de

libertad

N de componentes

N de variables no composicionales

UNA O VARIAS SLIDAS + UNA

LQUIDA (FUNDIDO)

NORMALMENTE 2 ELEMENTOS

(O COMPUESTOS)

1 VARIABLE: TEMPERATURA(LA PRESIN NO ES VARIABLE: A PRESIN ATMOSFRICA)

campo bifsico

0 punto invariante

Como los materiales slidos se procesan y trabajan a presin atmosfrica, convencionalmente se representan las F ASES en un diagrama cuyos EJES son su TEMPERATURA y los % en p eso de sus COMPONENTES.

Los diagramas de fases

convencionales en slidos 1500

1600

L (lquido)

Diagramas de mezclas de componentesDiagramas de mezclas de componentes

Sistema Cu-Ni

convencionales en slidos

muestran las regiones monofsicas

o bifsicas (campos ) presentes en

equilibrio y las transformaciones

de fase que pueden esperarse

cuando uno de los parmetros del

sistema (T o composicin) cambia

a P = 1 atm .

wt% Ni

20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500 L (lquido)

(solucin slida FCC)

T

COMPONENTECOMPONENTE FASEFASE (Sistema(Sistema monofsicomonofsico oo polifsico)polifsico) SOLUCINSOLUCIN SLIDASLIDA

(Soluto,(Soluto, disolvente,disolvente, lmitelmite solubilidad)solubilidad)

COMPENDIO DE CONCEPTOS BSICOS

ALEACINALEACIN vsvs SOLUCINSOLUCIN SLIDASLIDA MICROESTRUCTURAMICROESTRUCTURA vsvs MICROCONSTITUYENTEMICROCONSTITUYENTE EQUILIBRIOEQUILIBRIO YY METAESTABILIDADMETAESTABILIDAD vsvs ENERGAENERGA LIBRELIBRE------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ DIAGRAMASDIAGRAMAS DEDE EQUILIBRIOEQUILIBRIO DEDE LASLAS FASESFASES REGLASREGLAS DEDE LASLAS FASESFASES DEDE GIBBSGIBBS

DIAGRAMAS DE FASE

Diagramas isomrficos binarios Diagramas isomrficos binarios

Sistema isomrfico binario: Sistema con solubilidad total de los dos componentes en estado slido y lquido.

1400

1500

1600

T(C)

L (lquido)

TF Ni= 1455C

- BINARIO2 componentes: Cu y Ni.

- ISOMORFOSolubilidad completa de uno de los

Sistemas isomrficos binariosSistemas isomrficos binarios

Sistema Cu-Ni

--- Lnea Liquidus separa el campo lquido del campo lquido + slido

--- Lnea Solidus separa el campo slido del campo lquido + slido.

wt% Ni

20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

(solucin slida FCC)

TF Cu= 1085C

Solubilidad completa de uno de los componentes en otro (soluto en disolvente): El campo de fase se extiende de 0 a 100 % en peso de Ni.

Solucin lquida

Tem

pera

tura

2 Cs: A y B1 Fs: Lquido

(A-B)

Microestructuradel sistema A-BMicroestructuradel sistema A-B L

L


2 Cs: A y B

Solucin slida

policristalinaComposicin (%)

Tem

pera

tura

Punto de fusin

de A

2 Cs: A y B1 F: aleacin A-B

L

2 Cs: A y B2 Fs: L y

(A-B)

Solucin lquida +

Cristalitos de solucin slida

INTERPRETACININTERPRETACIN

1) FASES PRESENTES1) FASES PRESENTES

Punto A: 1100C60% peso Ni

1400

1500

1600T(C)

L (lquido)(35,1250)


Sistema Cu-Ni

Punto B:

Fases: Solucin slida + solucin lquida

Fases: Solucin slida

1250C35% peso Ni

wt% Ni

20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300 (FCC

sol. slida)

A

(60,1100)

B(35,1250)

Adaptado de fig. 9.2(a),

Callister Ed. 2000


2) COMPOSICIN DE LAS FASES

1300

T(C)

L (lquidolquidolquidolquido)

(slido)(slido)(slido)(slido)

ATA

TBB

Ejemplos A, B y C:Aleacin de Co = 35wt%Ni

TASlo lquido (L)

CL = CO ( = 35wt% Ni)

Recta de repartoRecta de repartoRecta de repartoRecta de reparto

o ISOTERMAo ISOTERMAo ISOTERMAo ISOTERMA


Sistema Cu-Ni

Adaptado de fig. 9.2(b),

Callister Ed. 2000

wt% Ni

20

1200(slido)(slido)(slido)(slido)

30 40 50

CTC

35353535

Co

TCSlo slido ( )

( = 35wt% Ni )

TB:

Coexistencia de ambas fases ( y L)( = 35wt% Ni )

( = 32wt% Ni en este ejemplo)

( = 43wt% Ni en este ejemplo)RECTA DE REPARTO

En el campo bifsico, el slido est enriquecido en el componente de >TF (el Ni), respecto al lquido enriquecido en Cu (

INTERPRETACININTERPRETACIN3) PROPORCIN DE CADA FASE

1300

T(C)

L (lquidolquidolquidolquido)

ATA

TBB

Recta de repartoRecta de repartoRecta de repartoRecta de reparto

o ISOTERMAo ISOTERMAo ISOTERMAo ISOTERMA

WL =0, W = 1 (100%)

TA : WL=1 (100%), W = 0

R S

Ejemplos A, B y C: Co = 35wt%Ni


Sistema Cu-Ni

TC :

Adaptado de fig. 9.2(b),

Callister Ed. 2000

wt% Ni

20

1200

((((slidoslidoslidoslido))))

30 40 50

CTC

B

434343433535353532323232

CoCL C

TB: ( + L)

L R S

REGLA DE LA PALANCA INVERSA = 0,27 = 27%

= 43 3543 32

= 0,73 == 73%

WL =S

R +S

W =R

R +S

TC :

Considerando ABCDE

Enfriamiento LENTO de aleacin isomrfica binaria 1300

L (lquido)T(C)

A

BC

L: 35wt%Ni

45,943

3234,9

: ~46wt%NiL :~35wt%Ni

4) MICROESTRUCTURA DE EQUILIBRIO



Considerando ABCDECo = 35wt%Ni

Evolucin de la microestructura durante la solidificacin en equilibrio de la aleacin de 35% Ni y 65% Cu.

Sistema Cu-Ni

wt% Ni20

1200

30 40 501100

(slido)

D

35Co

E

43

24 36: 43wt%Ni

L: 32wt%Ni

L: 24wt%Ni

: 36wt%Ni

Adaptado de fig. 9.3,

Callister Ed. 2000

Obtencin de diagramas de fases de sistemas isomrf icos binarios.Te

mpe

ratu

ra (

C)

Tem

pera

tura

liquidus

Lquido (L)

sl


Curva de enfriamiento para una aleacin isomrfica durante la solidificacin: Se asume que las velocidades de enfriamiento son las mnimas para que el equilibrio trmico tenga lugar. Los cambios de pendiente indican las t emperaturas solidus y liquidus para una composicin de 40% Ni en Cu.

Tem

pera

tura

(C

)

% en peso de nquel

Tiempo

solidus

Slido()

* Para una composicin fija (ej. 40%Ni)

Desarrollo de la microestructura de una aleacin is omrfica binaria por enfriamiento fuera del equilibrio:

Enfriamiento rpido: Estructura segregada o nucleada (cored)

Enfriamiento muy lento: Estructura de equilibrio(prevista en diagrama de fases)

primera que solidifica


primera que solidificaC5= 46wt%Ni

C uniforme35wt%Ni

C1< 35wt%NiC1 C2 C5

ltimo a

C3 C4

Los contornos de segregacin se producen porque la difusin en estado slido es muy lenta y requiere de suficiente tiempo para producirse

Desarrollo de la microestructura por

enfriamiento rpido (fuera del equilibrio)

SEGREGACINConlleva una disminucin de la

Microestructura de NO EQUILIBRIO Enfriamiento

RPIDO


HOMOGENEIZACINTratamiento trmico para

eliminar la segregacin. Se eleva la temperatura para

acelerar el proceso de difusin en estado slido y para que los

granos se homogeneicen

Conlleva una disminucin de la resistencia mecnica de la

aleacin con respecto a la de equilibrio

Sistema Cu-Ni

Resistencia (M

Pa)

Propiedades mecnicas de aleaciones isomrficas binarias

Endurecimiento por Endurecimiento por solucin slidasolucin slida


Ductilidad (%

al)

Composicin (% Ni)

Controlando Co se consigue mayor

resistencia menor ductilidad en la

aleacin que los componentes puros

por separado.

ej. ~60%Ni, mxima resistencia y

mnima ductilidad: rCu>~rNi

solucin slidasolucin slida

Objetivos de aprendizajeObjetivos de aprendizaje:: Conceptos de equilibrio: estabilidad y metaestabilidad.Conceptos de equilibrio: estabilidad y metaestabilidad. Distinguir entre componente y fase.Distinguir entre componente y fase. Definir y describir qu es un diagrama de fases o de equilibrio.Definir y describir qu es un diagrama de fases o de equilibrio. Dibujar y describir los diagramas de fases de sistemas Dibujar y describir los diagramas de fases de sistemas

isomrficos binarios.isomrficos binarios.Definir temperaturas de solidus y liquidus.Definir temperaturas de solidus y liquidus.

DiagramasDiagramas de de fasefase

Definir temperaturas de solidus y liquidus.Definir temperaturas de solidus y liquidus. Dado un diagrama de fases determinado, y suponiendo que Dado un diagrama de fases determinado, y suponiendo que

una aleacin est en equilibrio: a) citar las fases presentes en una aleacin est en equilibrio: a) citar las fases presentes en el sistema para una composicin y temperatura dadas; b) leer el sistema para una composicin y temperatura dadas; b) leer la composicin de cada fase; c) calcular las fracciones la composicin de cada fase; c) calcular las fracciones msicas de cada fase.msicas de cada fase.

Describir el fenmeno de segregacin y su solucin posible.Describir el fenmeno de segregacin y su solucin posible. Describir el efecto de la aleacin en sistemas isomrficos Describir el efecto de la aleacin en sistemas isomrficos

binarios en las propiedades mecnicas.binarios en las propiedades mecnicas.

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