1. 1. Diagrama de fases INTRODUCCIN Es muy importante comprender los diagramas de fase ya que estos tienen que ver con el diseo y el control de los tratamientos trmicos adems algunas propiedades de los materiales dependen de su microestructura tambin un diagrama de fases es muy importante porque nos dan informacin sobre los fenmenos de fusin, moldeo y cristalizacin.
2. 2. DEFINICIONES Y CONCEPTOS BSICOS Componente: Los componentes son metales puros, compuestos o ambos de los que se compone una aleacin. Sistema: Un sistema puede referirse a un cuerpo especfico tambin puede referirse a la serie de posibles aleaciones que contengan los mismos componentes pero sin considerar la composicin.
3. 3. Fase: Una fase es una porcin homognea de un sistema que tiene caractersticas fsicas y qumicas uniformes. Interface.- El lmite entre dos fases se le conoce como interfaces, es aquella superficie donde el arreglo atmico no es perfecto. Lmite de solubilidad.- Es una linea que separa dos fases .
4. 4. MICROESTRUCTURA En una aleacin la microestructura depende de variables como los elementos aleantes, sus concentraciones y el tratamiento trmico de la aleacin. EQUILIBRIO DE UN SISTEMA Un sistema est en equilibrio si su energa libre es mnima para una combinacin especfica de temperatura, presin y composicin. El equilibrio de fases refleja la constancia o permanencia en el tiempo de las caractersticas de las fases de un sistema. DIAGRAMA DE FASES Un diagrama de fases tambin denominado diagrama de equilibrio presenta de manera concisa y simple gran parte de la informacin acerca del control de la estructura de las fases de un determinado sistema.
5. 5. DIAGRAMA DE FASES DE UN SOLO COMPONENTE El diagrama de fases mono componente tambin llamado diagrama de fases unitario y a veces llamado diagrama de presin temperatura, es aquel en el cual se mantiene constante la composicin. Como ejemplo tenemos el diagrama del agua.
6. 6. DIAGRAMA DE FASES BINARIO Representan las relaciones entre temperatura y composicin y la cantidad de fases en equilibrio las cuales influyen en la microestructura de una aleacin. Donde la presin es constante normalmente se encuentra a una atmosfera. SISTEMAS ISOMORFOS BINARIOS El sistema cobre-nquel se denomina isomorfo donde La temperatura se grafica en el eje de las ordenadas y la composicin de la aleacin como porcentaje en peso en el eje de abscisas. La composicin vara desde 0% en peso de Ni y 100% en peso de Cu hasta 100% en peso de Ni y 0% en peso de Cu. Como se puede observar en el diagrama, aparecen tres regiones o campos de fases una regin , una regin liquida L y un campo bifsico +L.
7. 7. INTERPRETACIN DE LOS DIGRAMAS DE FASES Fases presentes Se localiza en el diagrama el punto definido por la temperatura y la composicin y se identifica la fase o fases que estn presentes. Determinacin de composiciones de fases Para regiones monofsica y bifsicas se utilizan distintos mtodos si solo est presente una sola fase entonces la composicin de esta fase es la misma que la composicin de la aleacin total. En cambio s en una aleacin tanto composicin como temperatura se encuentran en una regin bifsica se utiliza una recta de reparto o tambin llamada como isoterma. Determinacin de las cantidades de fase Para una regin bifsica se utiliza la resta de reparto conjuntamente con la regla de la palanca o regla de palanca inversa. = 0 = 0
8. 8. PROPIEDADES MECANICAS DE LAS ALEACIONES ISOMORFAS A todas las temperaturas y composiciones inferiores a la temperatura de fusin del componente que tiene la temperatura de fusin ms baja, solamente existir una sola fase slida, por tanto, cada componente experimentara un endurecimiento por disolucin solida o un aumento en la resistencia y en la dureza, por la adicin del otro componente.
9. 9. -
10. 10. SISTEMAS EUTECTICOS BINARIOS Otro tipo de diagrama de fases comn y relativamente simple, que se puede encontrar en las aleaciones binarias se le conoce como diagrama de fases eutctico binario donde existen regiones monofsicas , y lquido. En el diagrama existe caractersticas siguientes: La fase .- Es una disolucin solida rica en cobre, pero el soluto es la plata con una estructura cristalina FCC. La fase .- Tambin tiene una estructura FCC pero soluto en cobre. Lnea Solvus.- se denomina lnea de solvus a la lnea de solubilidad que separa las regiones de las fases y ms . Lnea de Solidius.- viene a ser el limite AB entre los campos y mas L. Lnea de Liquidus.- al agregar plata al cobre, la temperatura a la cual las aleaciones se hacen totalmente liquidas disminuye a lo largo de la lnea liquidus, lnea AE; de este modo, la temperatura de fusin del cobre desciende con las adiciones de plata. Punto Invariante.- se denomina a la lnea horizontal isoterma BEG.
11. 11. A continuacin vemos un ejemplo de un sistema eutctico binario. La figura representa el DIAGRAMA DE FASES COBRE-PLATA
12. 12. PLOMO-ESTAO Otro sistema eutctico comn es el de plomo- estao, en este sistema las fases de disolucin solida tambin se designan como y ; en este caso. El smbolo representa una disolucin solida de estao en plomo. En la fase el estao es disolvente y el plomo es el soluto.
13. 13. REGLA DE LAS FASES DE GIBBS En qumica y termodinmica, la regla de las fases de Gibbs describe el nmero de grados de libertad (L) en un sistema cerrado en equilibrio, en trminos del nmero de fases separadas (F), el nmero de componentes en el sistema (C) y N el nmero de variables no composicionales (por ejemplo; presin o temperatura). Esta regla establece la relacin entre esos 4 nmeros enteros dada por:
14. 14. EL SISTEMA HIERRO CARBONO De todos los sistemas de aleacin binarios, el ms considerado fue el hierro- carbono por ejemplo los aceros son aleaciones hierro-carbono y constituyen la familia industrialmente ms importante de todas las aleaciones metlicas. La mayora de las aleaciones de hierro derivan del diagrama Fe-C que puede ser modificado por distintos elementos de aleacin. Para ello nos sirven para construir diferentes tipos de herramientas. Por ello es importante destacar el concepto del ACERO.
15. 15. Aceros Es la aleacin de hierro y carbono, en la que el carbono se encuentra presente en un porcentaje mayor a 0.08% e inferior al 2% en peso, al cual se le adicionan variados elementos de aleacin, los cuales le confieren propiedades mecnicas especficas para sus diferentes usos en la industria. A medida que crece el contenido de carbono, aumenta la dureza y la resistencia del acero, pero tambin aumenta su fragilidad y disminuye la ductilidad A menor contenido de carbono, el acero presenta mejor soldabilidad. El acero es un material dctil, maleable, forjable y soldable. El acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado; lo que se presta para fabricaciones mediante muchos mtodos Los productos ferrosos con ms de 2% de carbono se denominan fundiciones de hierro.
16. 16. Clasificacin de los aceros de acuerdo a su porcentaje de carbono: Aceros de bajo carbono. Su porcentaje de carbono es menor a 0.2%. Su microestructura est formada principalmente por ferrita. Son metales muy suaves, dctiles y de baja resistencia. Son fciles de deformar plsticamente. Aceros de medio carbono. Su porcentaje de carbono oscila entre 0.2 y 0.5%. Su microestructura est formada por la mezcla de ferrita y perlita. Constituyen la mayora de aceros al carbono disponibles comercialmente y sus propiedades mecnicas dependen de la cantidad de ferrita y perlita que posean. Aceros de alto carbono. Su porcentaje de carbono es mayor al 05%. Tienen dureza y resistencia elevadas. Su ductilidad y tenacidad son bajas.
17. 17. DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C representa las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento o enfriamiento de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusin o la homogeneizacin tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos crticos
18. 18. OBSERVACION: Los materiales no ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metlicos. Las aleaciones el latn y el bronce, son una combinacin de algunos de estos metales no ferrosos y se les denomina aleaciones no ferrosas.
19. 19. FASES PRESENTES EN EL CARBONO Austenita.- Fase , es una solucin solida intersticial de carbono en hierro FCC. La mxima solubilidad en estado del carbono en la austenita es del 2%. Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita. Es una fase no magntica. Autenticacin.- Calentamiento de un acero dentro de un rango de temperatura de la austenita. La temperatura de la autenticacin vara dependiendo de la composicin del acero.
20. 20. Ferrita Fase , una solucin solida intersticial de carbono en hierro BCC. La mxima solubilidad solida de carbono en hierro BCC es del 0,02%. Consiste en tomos de hierro con estructura cristalina BCC y tomos de carbono en los sitios intersticiales. La cantidad de tomos de carbono presentes en la ferrita es pequea. La ferrita es una fase muy suave, dctil y magntica Cementita La cementita es un constituyente de los aceros, y otras aleaciones frreas como las fundiciones blancas, que aparece cuando se excede el limite de solubilidad del carbono en ferrita por debajo de 727 C. La cementita tiene un 6,67% en peso de carbono, y es un compuesto intermetlico de insercin.
21. 21. Tambin la morfologa de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras tpicas. Se consideran las siguientes en los aceros: Cementita secundaria. Cementita eutectoide. Cementita terciaria.
22. 22. Perlita Es una mezcla de fases ferrita y cementita, en lminas paralelas, producida por la descomposicin eutctoide de la austenita. Es una microestructura que contiene 0.77% en peso de carbono se le denomina perlita ya que tiene la apariencia de una perla al observarse microscpicamente a pocos aumentos.
23. 23. Troostita Es una variedad de la perlita que est formada por ndulos cuyo espacio interlaminar es pequeo, su dureza es mayor a la perlita FORMAS QUE PRESENTA Forma laminar: Son lminas alternadas de las dos fases que forman el constituyente bifsico. Cuanto ms fina sea la estructura es decir menor espacio interlaminar mayor ser la dureza adems es la ms frecuente. Forma globular: sobre la matriz ferrtica aparecen unos glbulos de cementita esta estructura es menos dura y resistente. TIPOS DE PERLITA: Perlita gruesa: menos dura y ms dctil. Perlita fina: dura y ms resistente
24. 24. Eutctoide: Acero con un 0,8% C.
25. 25. Hipoeutctoide: Acero con menos de 0,8% C. Hipereutctoide: Acero con un 0,8% C a un 2% C.
26. 26. Alotropa Del Hierro Muchos elementos y compuestos existen en ms de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presin. Este fenmeno es determinado como polimorfismo o alotropa Acero.- Es toda aleacin Fe-C entre 0,008% y 1,76% de Carbono. Hierro alfa ().- Cristaliza a 768C. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatmica de 2.86 . Prcticamente no disuelve en carbono. Hierro gamma ().- Se presenta de 910C a 1400C. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fcilmente en carbono y es una variedad de Fe a magntico. Hierro delta ().- Se inicia a los 1400C y presenta una reduccin en la distancia interatmica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su mxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487C.. A partir de 1537C se inicia la fusin del Fe puro.
27. 27. ENDURECIMIENTO POR DISPERSIN Y DIAGRAMA EUTCTICO El trmino general para tal endurecimiento, est dado por la introduccin de una segunda fase, al cual se le conoce como endurecimiento por dispersin. Tendremos un nfasis en los diagramas de fases, para conocer y detallar este fenmeno. Ejemplos de endurecimiento por dispersin: Fases matriz, esta fase es continua y la ms dbil, tambin es dctil. Fase dispersa o precipitada , por lo general son partculas pequeas muy duras y resistentes. Transformacin de lquido o solidificacin de este, para producir simultneamente dos fases de solidos diferentes; esta forma de endurecimiento ayuda a conocer las propiedades del acero. Endurecimiento por precipitacin o envejecimiento; lo cual consiste en tratamientos trmicos del acero.
28. 28. COMPUESTO INTERMETLICOS Un compuesto intermetlicos contiene dos o ms elementos metlicos produciendo una nueva fase con composicin y propiedades propias; los compuestos intermetlicos son similares a los materiales cermicos en trminos de propiedades mecnicas. Los compuestos intermetlicos estequiomtricos tienen una composicin fija. Los aceros con frecuencia se endurecen por medio de un compuesto estequeomtrico; se representa en el diagrama de fases por medio de una lnea vertical. Son representaciones graficas que involucran tres fases y dos complementarias. Eutctica Peritctica Monotctica Eutctoide Peritctoide
29. 29. EUTCTICO La reaccin eutctica constituye la transformacin de solidificacin completa del lquido. Este tipo de reaccin corresponde a un punto fijo en el diagrama de fases, es decir, ocurre a una temperatura y composicin determinada, y dicho punto posee cero grados de libertad .
30. 30. REACCION EUTCTICO Es una mezcla de dos componentes con punto de fusin o punto de vaporizacin, es mnimo a diferencia de las sustancias que estn en estado puro. Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en estado lquido, cuyos componentes son insolubles en estado slido. La temperatura de solidificacin de la mezcla estar comprendida entre las correspondientes a cada uno de los componentes en estado puro. La reaccin eutctica es la transformacin de un liquido con la composicin eutctica a dos sustancias solidas en el enfriamiento.
31. 31. REACCION PERITCTICA Es una reaccin invariante que implica tres fases en equilibrio en esta reaccin al calentarse una fase solida se transforma en una fase liquida y en otra fase solida por ejemplo en el sistema cobre-cinc existe un peritctico a una temperatura de 598 y 78.6% en peso de Zn-21.4% en peso de Cu que en la grfica aparece como el punto P la reaccin ser escrita de la siguiente manera.
32. 32. REACCIN PERITECTOIDE Reaccin de tres fases, por la que dos fases slidas se transforman en otra slida. RECRISTALIZACIN: Proceso de formacin de nuevos granos. Para que se produzca la recristalizacin es preciso deformar previamente al material. Existe una temperatura por encima de la cual se produce la recristalizacin, cuyo valor depende de la deformacin previa. La reaccin peritectoide es extremadamente lenta y produce indeseables estructuras fuera de equilibrio.
33. 33. Es un constituyente de las fundiciones Se presenta cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono. La ledeburita se forma al enfriar una fundicin lquida de carbono (de composicin alrededor del 4.3% de C) desde 1130C, siendo estable hasta 723C, decomponindose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. LEDEBURITA
34. 34. La Ledeburita surge cuando el contenido de carbono es de entre 2,06% y 6,67%. La mezcla eutctica de austenita y cementita es 4,3% de carbono. mezcla de fases: austenita y cementita. La ledeburita posee un alta dureza y fragilidad. Estructura y propiedades
35. 35. Presencia en las aleaciones de hierro y carbono Hierro La ledeburita se produce en las aleaciones de solo hierro y carbono en el intervalo de concentraciones de carbono del 2% al 6,67%, que corresponde a los hierros fundidos
36. 36. Hierros hipoeutcticos Al llegar al punto eutctico (4,3% de carbono, 1147 C) comienza la cristalizacin eutctica, ledeburita. en un hipoeutctica fundicin blanca, a temperatura ambiente, la ledeburita est presente como componente estructural junto con perlita y cementita secundaria.
37. 37. Hierros eutcticos Al enfriar, la fase lquida del punto eutctico a una temperatura de 1147 C comienza la cristalizacin simultnea de una mezcla de austenita y cementita, la ledeburita.
38. 38. Hierros hipereutcticos En el hierro blanco hipereutctica de lquido cristaliza la cementita primaria en forma de agujas planas, a continuacin, se forma la ledeburita. A temperatura ambiente la fundicin blanca contiene dos componentes estructurales: cementita primaria y ledeburita.
39. 39. El diagrama de fases de las aleaciones monotcticas, contiene un domo o zona de miscibilidad donde coexisten dos fases liquidas. Las reacciones eutctoides y peritctoides son reacciones de estado slido por completo.
40. 40. Aleacin eutctica A medida que los tomos se redistribuyen durante la solidificacin eutctica, se desarrolla una microestructura caracterstica conocido como arreglo laminar, parecido a una placa o placas. El producto de la reaccin eutctica tiene un arreglo caracterstico de las dos fases solidas llamados micros constituyentes eutcticos.
41. 41. Microestructura del eutctico No todos los eutcticos dan una estructura laminar. Las formas de las dos fases en el microconstituyente estn influidas por la rapidez de enfriamiento, la presencia de elementos impuros y la naturaleza de la aleacin. La microestructura eutctica en aleaciones de aluminio- silicio, se altera por medio de la modificacin, la modificacin ocasiona que la fase de silicio crezca como barras delgadas interconectadas entre las dentritas de aluminio, mejorando la resistencia a la tensin y el porcentaje de elongacin.
42. 42. Tipos de microestructuras con el enfriamiento lento de las aleaciones que son parte de los sistemas eutcticos binarios en el diagrama de fases plomo- estao. A) El primer caso es l de las composiciones que varan entre un componente puro y la solubilidad solida mxima para ese componente a temperatura ambiente.
43. 43. B) En el segundo caso considerado es el de composiciones que varan entre el lmite de solubilidad a temperatura ambiente y la solubilidad solida mxima a la temperatura eutctica.
44. 44. C) El tercer caso implica la solidificacin de la composicin eutctica. Considere una aleacin que tenga esta composicin que se enfra a partir de una temperatura dentro de la regin de la fase liquida siguiendo la lnea vertical yy` a medida que baja la temperatura no ocurren cambios hasta que se alcanza la temperatura eutctica a 183 C.
45. 45. D) En el cuarto y ltimo caso de microestructura para este sistema incluye todas las composiciones excepto la eutctica que cruza la isoterma eutctica al enfriar.
46. 46. Diagrama de esfuerzo El diseo de elementos estructurales implica determinar la resistencia y rigidez del material estructural. permiten determinar el esfuerzo y la deformacin que al graficar originan el denominado diagrama de esfuerzo y deformacin.
47. 47. Ley de elasticidad de Hooke En fsica, la ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke, establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elstico es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
48. 48. ESFUERZO Las fuerzas internas de un elemento estn ubicadas dentro del material por lo que se distribuyen en toda el rea; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por unidad de rea, la cual se denota con la letra griega sigma () y es un parmetro que permite comparar la resistencia de dos materiales. = P/A
49. 49. DEFORMACIN Definimos deformacin como cualquier cambio en la posicin o en las relaciones geomtricas internas sufrido por un cuerpo como consecuencia de la aplicacin de un campo de esfuerzos. controlar las deformaciones para que la estructura cumpla con el propsito para el cual se dise tiene la misma o mayor importancia.
50. 50. Diagrama esfuerzo-deformacin
51. 51. Puntos del diagrama esfuerzo deformacin a) Lmite de proporcionalidad: b) Limite de elasticidad o limite elstico: c) Punto de fluencia: d) Esfuerzo mximo: e) Esfuerzo de Rotura:
52. 52. CONCLUSIONES El diagrama de fases es una herramienta de estudio y anlisis muy poderosa para conocer y detallar las composiciones, fases presentes y las caractersticas que tiene una aleacin en ingeniera. Los ingenieros realizan clculos y composiciones exactas sobre las cantidades de carbono agregado en hierro, para obtener propiedades especficas y lo que se quiere de algunos materiales para llevarlos a los diseos de ingeniera, prediciendo el funcionamiento adecuado de sistemas mecnicos. Las deformaciones es una manera de entender propiedades y caractersticas de los aceros, y sus limitaciones como material para diseo; el diagrama de esfuerzo es una esquematizacin sobre la ley de Hooke, que nos ayuda a entender el nivel de rigidez o la resistencia de un material determinado a cierto esfuerzo limite. Las deformaciones es una manera de entender propiedades y caractersticas de los aceros, y sus limitaciones como material para diseo; el diagrama de esfuerzo es una esquematizacin sobre la ley de Hooke, que nos ayuda a entender el nivel de rigidez o la resistencia de un material determinado a cierto esfuerzo limite.
53. 53. RECOMENDACIONES En la industria, en la ingeniera y tambin en lo cotidiano de la vida, los aceros son parte de nuestra sociedad, conocer su funcionamiento es vital para nosotros los estudiantes de ingeniera, como aplicar los aceros de manera simple y sencilla a nuestra realidad buscando innovar en nuestro medio. Es un trabajo arduo aprender y desarrollar el diagrama de fases, tambin como determinar la composicin y la cantidad de fases presentes en una aleacin, pero ayuda mucho a la hora de disear maquinas compuesto des aleaciones. Debemos tener presente que existen fases como austenita, ferrita y cementita; si no interpretamos detalladamente sus concentraciones de carbono en hierro, es posible que no ocurra nada anormal en nuestras aleaciones, pero si ignoramos esto pueda que ocurra situaciones inesperadas y desagradables.
54. 54. Gracias