Los elementos metlicos puros tienen aplicaciones tcnicas, por
ejemplo, el cobre o el aluminio de alta pureza usados para fabricar
circuitos microelectrnicos. Sin embargo, en la mayora de las
aplicaciones de usan aleaciones. Definimos una aleacin como un
material que tiene propiedades metlicas y que esta formado por
varios elementos. Un acero al carbono simple es una aleacin de
hierro y carbono. Los aceros inoxidables, suelen contener hierro,
carbono, cromo y nquel.
FIGURA 51.Como primer paso se define una fase como una forma
nica en la que existe el material por ejemplo, el agua tiene tres
fases: liquida, slida y vapor de agua. Una fase posee la misma
estructura o arreglo atmico, la misma composicin, propiedades en su
interior y una interfaz definida entre esta y las fases que la
rodean. Un diagrama de fases ilustra las fases presentes en un
sistema de aleacin a diversas temperaturas, presiones y
composiciones. A partir del diagrama de fases, podemos predecir que
fases se espera sean termodinmicamente estables y en que
concentracin deben estar presentes.En los diagramas de fase
isomorfa binarios en equilibrio, los dos componentes son
completamente solubles entre si en estado slido y por lo tanto solo
hay una nica fase slida. En muchos de estos diagramas sen
encuentran fase (s) y/o compuestos intermedios. Las fases
intermedias tienen una variedad de composiciones, mientras que los
compuestos intermedios tienen una nica composicin.2.5.2 DIAGRAMA DE
UNA SUSTANCIA PURAEste es uno de los diagramas mas sencillo
(generalmente es presin vs temperatura), tal como se muestra en
lafigura 51.En la mencionada figura sepuede apreciar que el agua
posee tres fases: Slida, liquida y gaseosa o vapor. Se observa
tambin un punto denominado punto triple en el cual pueden coexistir
los estados slido, lquido y gaseoso. Adicionalmente se encuentran
dos lneas: la lnea de vaporizacin y la lnea de solidificacin para
las cuales los pares (presin, temperatura) corresponden a una
transicin de fase entre una fase slida y una fase lquida; y entre
una fase slida y una fase vapor respectivamente.Figura 51 Diagrama
de fase del agua [Adaptado de: Wikipedia, 2008]Ahora se aplicara la
regla de fase de Gibbs al diagrama del agua en diferentes puntos
como se muestra en lafigura 51:En el Punto triple:Fases presentes =
3, Numero de componentes =1, por lo tanto,P+F=C+2, luego3+F=1+2
entonces F=0.El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=0,
quiere decir que Como ninguna de las variables (presin, temperatura
o composicin) se pueden cambiar manteniendo las tres fases de
coexistencia, el punto triple es unpunto invariante.En un Punto
sobre la lnea de solidificacin:Fases presentes = 2, Numero de
componentes =1, por lo tanto,P+F=C+2, luego2+F=1+2 entonces F=0.El
hecho que el grado de libertad o varianza sea F=1, quiere decir
queUna variable (Temperatura o Presin) se puede cambiar manteniendo
an un sistema con dos fases que coexisten, es decir, si se
especifica una presin determinada, slo hay una temperatura en la
que las fases slida y lquida coexisten.En un Punto dentro de una
fasenica (Zona liquido):Fases presentes = 1, Numero de componentes
=1, por lo tanto,P+F=C+2, luego1+F=1+2 entonces F=2.El hecho que el
grado de libertad o varianza sea F=2, quiere decir que dos
variables (Temperatura o Presin) se pueden cambiar
independientemente y el sistema permanece con unanica fase.Se
definen como metales, las sustancias que poseen propiedades como
buena conductividad trmica y elctrica, son dctiles o deformables y
son slidos a temperatura normal excepto el mercurio que es
lquido.Las aleaciones de ingeniera pueden dividirse en dos tipos:
ferrosas y no ferrosas. Las aleaciones ferrosas tienen al hierro
como su principal metal de aleacin, mientras que las aleaciones no
ferrosas tienen un metal distinto del hierro. Los aceros que son
aleaciones ferrosas, son las ms importantes. las propiedades
mecnicas de los aceros al carbono pueden variar considerablemente
por trabajo en fro y recocido. Cuando el contenido de carbono de
los aceros se incrementa por encima de 0.3% , pueden ser tratados
trmicamente por temple y revenido para conseguir resistencia con
una razonable ductilidad. Los elementos de aleacin tales como el
nquel, cromo y molibdeno se aaden a los aceros al carbono para
producir aceros de baja aleacin. Los aceros de baja aleacin
presentan buena combinacin de alta resistencia y tenacidad, y son
de aplicacin comn en la industria de automviles para usos como
engranajes y ejes.Las aleaciones de aluminio son las ms importantes
entre las no ferrosas principalmente por su ligereza,
endurecibilidad por deformacin, resistencia a la corrosin y su
precio relativamente bajo. El cobre no aleado se usa en abundancia
por su conductividad elctrica, resistencia a la corrosin, buen
procesado y costo relativamente bajo, el cobre se alea con el cinc
para formar unas serie de latones que tienen mayor resistencia que
el cobre sin alear.
Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas ms
importantes a causa de su alta resistencia a la corrosin en medios
oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al menos 12%
de cromo.CAPTULO 5. TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES Y DIAGRAMAS
DE FASESExisten muchas aplicaciones de los materiales en el campo
de la ingeniera; por lo general los materiales no se usan puros
como se menciono anteriormente, sino que se usan como aleaciones en
la gran mayora de los casos. Estas aleaciones tambin poseen
diferentes estructuras y por ende propiedades a diferentes
temperaturas y/o presiones, lo que hace adquirir importancia el
conocimiento de los diagramas de fases.Se puede definir una fase
como cada una de las porciones homogneas fsicamente separables en
un sistema formado por uno o varios componentes. Por ejemplo, el
agua tiene tres fases: liquida, slida y gaseosa (vapor). Una fase
posee ciertas caractersticas a saber: Posee la misma estructura
Posee el mismo arreglo atmico Posee la misma composicin qumica
generalmente Posee las mismas propiedades Los diagramas de fase se
definen como representaciones graficas de las fases presentes en un
sistema de uno, dos o tres materiales bajo las variables de
temperatura, composicin y/o presin.Un componente de una mezcla es
una sustancia qumicamente independiente de la cual esta compuesta
una la fase.2.5.3 DIAGRAMAS BINARIOSEstos diagramas contrario a los
de las sustancias puras, se realizan entre temperatura y
composicin, dejando la presin constante, es decir la regla degibbs
para estos serP+F=C+1.La caracterstica de un sistema binario es que
muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos
elementos o dos compuestos en un rango de temperaturas.A. Diagrama
de solubilidad totalEste diagrama recibe el tambin el nombre de
sistemas isomorfos debido a que los componentes del diagrama son
totalmente solubles a altas y bajas temperaturas. Para que un
sistema sea completamente soluble debe cumplir ciertas
condiciones:Estructura Cristalina: La estructura cristalina debe
ser la mismaTamao: Los atomos o iones que constituyen el sistema
deben tener una diferencia de radios atmicos que no debe ser mayor
del 15%, para minimizar la deformacin de la red.Electronegatividad:
No debe haber diferencias significativas en los valoresde
electronegatividad, debido a que si existen se formaran compuestos
y nosoluciones., por ejemplo Na +Cl = NaClValencia: No debe existir
diferencia significativa de valencias, debe ser la misma.Estos
diagramas presentannicamente la lnea de lquidus, la cual se define
comola temperatura arriba de la cual un material es totalmente
lquido y la lnea de slidus, que se define como la temperatura por
debajo de la cual esa aleacin es totalmente slida(figura 52). La
diferencia de temperaturas entre la lnea de liquido y la de solido
es el intervalo de solidificacin de la aleacin, dentro de este
intervalo de temperaturas se puede encontrar islas de solido en
fase liquida. Ejemplo de aleaciones con este tipo de diagrama de
solubilidad total son: Cu-Ni, NiO-MgO,Tl-Pb entre otros.
Figura 52. Diagrama isomorfo o de solubilidad totalPara ubicar
un punto (a) en este diagrama se requiere de un porcentaje de
composicin y una temperatura. Por ejemplo, la aleacin entre Cu-Ni
de lafigura 53, muestra que la aleacin que pasa por el punto (a) de
la figura tiene una composicin de 80% de Ni +20% Cu, para un total
de 100% de la aleacin. Para una aleacin de 40%Cu y 60% Ni, segn el
diagrama de lafigura 53, por encima de los 1280C la aleacin es
totalmente liquida, debido a que este es el lmite o linea de
liquidus. Por debajo de los 1240C, la aleacin es totalmente slida y
en el rango de 1280C1240C, se pueden encontrar las dos fases
(solido y liquido), es decir en estos 40C de diferencia es donde la
aleacin empieza a solidificarse hasta llegar a la lnea de
solidus.
Regla de la palancaLa regla de la palanca, es un mtodo que
permite conocer la composicin qumica de las fases y las cantidades
relativas de cada una de ellas.Para determinar la composicin qumica
de las fases primero se debe trazar una lnea de enlace o isoterma,
la cual es una lnea horizontal en una regin de dos fases como se
muestra en lafigura 54,esta lnea une dos puntos de la lnea de
liquidus y solidus en este caso. Los extremos de esta lnea
representan las composiciones de las dos fases. A continuacin
prolongar los puntos hasta tocar la lnea de composicin en los
puntos Ca y Cl. El punto Ca quiere decir que la aleacin
consideradaa la temperatura (T) contiene lquido de una composicin
qumica de % del elemento B y el restante del elemento A. El punto
Cl quiere decir que la aleacin considerada contiene slido de una
composicin qumica de % del elemento B y el restante del elemento
A.En el campo de la ingeniera, una de las aleaciones metlicas ms
importante es el acero. Esta es una aleacin producto de la unin del
hierro, quien junto con una pequea proporcin de carbono,
proporcionan al acero diversas propiedades especiales tales como
dureza, resistencia y ductilidad entre otras.El hierro es un metal
alotrpico, quiere decir que posee diferentes estructuras
reticulares dependiendo de la temperatura a la que sea sometido.
Tcnicamente se considera hierro puro a aquel material con menos de
0.008% de carbono, este es un metal blanco azulado, dctil y
maleable que permite ser forjado y moldeado.El diagrama
hierro-carbono o como es comnmente llamado hierro - Fe3C, debido a
que esta parte del diagrama (entre 0 y 6.67%C), es la que reviste
gran importancia tecnolgica ya que en esta porcin se pueden
encontrar los diferentes aceros y fundiciones. El extremo que no se
muestra en le diagrama rico en carbono no es estudiado debido a que
un material rico en carbono es muy duro, pero extremadamente
frgil.Ver el Diagrama Fe-Fe3C
En este diagrama las aleaciones que contienen hasta un 2% de
carbono constituyen los aceros y las aleaciones que contienen mayor
porcentaje de carbono se denominan fundiciones. El carbono puede
presentarse en este diagrama en tres formas distintas a saber: Como
una solucin slida intersticial (explicado anteriormente) Combinado
con el hierro para formar un compuesto nter metlico denominado
cementita Fe3C Como carbono libre o grafito
En el diagrama hierro Fe3C, se puede apreciar las diferentes
transformaciones alotrpicas del hierro:
