• Author / Uploaded
• Ronny Manuel Garcia

Citation preview

1

Diagramas de fases isomorfos binarios Ciencia e ingeniera de los materiales – Sec.: 07 Ronny Manuel Garcia Segura 1071288 Prof.: Laura Virginia Ramírez Cabrera Resumen – Se realizo la practica de diagramas de fases isomorfas binarias del Manuel de ciencia e ingeniera de los materiales, donde se analizan los diferentes tipos de diagramas de fases binarios y se encontraron todas las fases de un diagrama de fase de Pb-Sn.

I.

PALABRAS CLAVES

 Diagramas de fases         

Puntos críticos Microestructura Isomorfo Eutéctico Eutectoide Concentraciones criticas Regla de Gibbs Grados de libertad Diagramas de enfriamientos II.

INTRODUCCION

Una fase es una región del espacio (un sistema termodinámico), a lo largo de la cual todas las propiedades físicas de un material son esencialmente uniformes. Los ejemplos de propiedades físicas incluyen densidad, Índice de refracción, magnetización y composición química. Una descripción simple es que una fase es una región de material que es químicamente uniforme, físicamente distinta y (a menudo) mecánicamente separable. En un sistema que consiste en hielo y agua en una jarra de vidrio, los cubitos de hielo son una fase, el agua es una segunda fase y el aire húmedo es una tercera fase sobre el hielo y el agua. El vaso de la jarra es otra fase separada. Las distintas fases se pueden describir como diferentes estados de la materia como gas, líquido, sólido, plasma o condensado de Bose-Einstein. Mesofases útiles entre sólido y líquido forman otros estados de la materia. Para una composición dada, solo ciertas fases son posibles a una temperatura y presión dadas. El número y el tipo de fases

que se formarán son difíciles de predecir y generalmente se determinan mediante experimentos. Los resultados de tales experimentos se pueden trazar en diagramas de fase. [1] Los diagramas de fase es la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio de este. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación, diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado. Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:  Línea de liquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.  Línea de solidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.  Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.  Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en dos disoluciones sólidas (α) + (β) de distinta composición en A y B. [2] III.

OBJETIVOS

2 

Objetivo General

Estudiar curvas de enfriamiento a partir de distintos diagramas de fases para conocer sus aspectos fundamentales.



Objetivos Específicos

Conocer los diferentes tipos de diagramas de fases binarios con el objetivo de identificar los puntos críticos en los mismos. Distinguir las diversas fases presentes en los diagramas para determinar los microconstituyentes propios de cada región. [3] IV.

Imagen I. Aleación Cobre-Níquel (Diagrama de total solubilidad)

EQUIPAMIENTO

 Equipos y Software 

CES Edupack Granta V.

PROCEDIMIENTO

Para la primera actividad se dibujó a mano cuatro diagramas de fases representativos de cuatro clases en específico, junto con sus respectivos diagramas de enfriamiento, bajo una concentración tomada por el estudiante en este caso 50%.

Imagen II. Aleación A-B (Diagrama de total insolubilidad solida)

Posteriormente se procedió a analizar las fases, puntos críticos y microestructuras de uno de los cinco diagramas encontrados en la práctica (el caso presente se dirige al diagrama Ti-Ni, página 76 del Manual de laboratorio). Finalmente se procedió a calcular las cantidades de fases en el punto más bajo del diagrama. VI.

FORMULAS

Regla de la palanca para ubicar la composición en porcentaje de peso de un compuesto, en base a sus constituyentes. %𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑦𝑒𝑛𝑡𝑒 = 100 ∗

VII.

𝐵𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 𝐵𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Imagen III. Aleación Plomo-Estaño (Diagrama de solubilidad parcial solida)

RESULTADOS

1. Busque 4 diagramas de fases representativas de los ejemplos anteriores, y dibújelos. Realice los diagramas de enfriamiento (porcentaje en peso-temperatura y tiempotemperatura) para las concentraciones críticas de cada diagrama de fase presentado en la parte teórica de la práctica.

Imagen IV. Aleación Fe-C Normalizada (Diagrama eutectoide)

3 11. 12. 13. 14. 15.

2. Analice el diagrama indicado y realice lo siguiente: 00

𝐿 + 𝑇𝑖𝑁𝑖 𝐿 + 𝑇𝑖𝑁𝑖3 𝑇𝑖𝑁𝑖3 + 𝑁𝑖 𝐿 + 𝑇𝑖𝑁𝑖3 𝐿 + 𝑁𝑖

c. Para una composición indicada por el profesor trazar el diagrama de enfriamiento utilizando la regla de Gibbs.

1

11

12

14

15 Para este diagrama utilice los dos ultimo dos dígitos de mi matricula 88%.

8 9

7 4

2

6

5

10 13

3 0 Imagen V. Aleación Ti-Ni (Diagrama seleccionado por la docente)

a. Escriba en el diagrama los puntos críticos, y sus concentraciones. Dichos puntos críticos representados en azul se muestran entre las fases, se mencionará entres los números marcados en azul. Utilizando una regla, con el cual 1cm es un 10% de concentración, se aproximó las concentraciones siguientes: • • • • • • • • • • • • • •

En 4: Entre 4 y 2: Entre 1 y 2: Entre 2 y 7: Entre 7 y 6: Entre 7 y 8: Entre 5 y 10: Entre 8 y 9: Entre 9 y 11: Entre 11 y 12: Entre 12 y 13: Entre 12 y 14: Entre 14 y 16: Entre 16 y 15:

Ti(1%)Ni Ti(5%)Ni Ti(12%)Ni Ti(18%)Ni Ti(37.5%)Ni Ti(38.5%)Ni Ti(55.5%)Ni Ti(55.5%)Ni Ti(62%)Ni Ti(66.5%)Ni Ti(79%)Ni Ti(79%)Ni Ti(86%)Ni Ti(89%)Ni

Tiempo Imagen VI. Diagrama de enfriamiento de una aleación de Ti(88%)Ni

d. Para cada parte correspondientes formadas solidificación.

dibuje las estructuras durante el proceso de

Siguiendo con la concentración de 88% se obtiene:

Imagen VII: Estructura 100% liquida a partir de la fase 𝐿 + 𝑁𝑖 por encima de los 1310° C

b. Complete los espacios con las fases correspondientes. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

𝐿 + 𝛽𝑇𝑖 𝛽𝑇𝑖 + 𝑇𝑖2𝑁𝑖 𝛼𝑇𝑖 + 𝑇𝑖2𝑁𝑖 𝛼𝑇𝑖 + 𝛽𝑇𝑖 𝑇𝑖𝑁𝑖 + 𝑇𝑖2𝑁𝑖 𝑇𝑖2𝑁𝑖 𝐿 + 𝑇𝑖2𝑁𝑖 𝐿 + 𝑇𝑖𝑁𝑖 𝑇𝑖𝑁𝑖 𝑇𝑖𝑁𝑖3 + 𝑇𝑖𝑁𝑖

Imagen VIII: Estructura 𝐿 + 𝑁𝑖 entre los 1310 °C y los 1300 °C

Imagen VIII: Estructura Ti3Ni 100% solido por debajo de los 1300 °C

4 e. Después de total solidificación en el punto más bajo del diagrama, calcular las cantidades de las fases tomando en cuenta que el peso total es de 1 kg. A 88% de concentración Ti-Ni, se encuentran las siguientes cantidades de fases 𝑇𝑖𝑁𝑖3 + 𝑁𝑖, teniendo en cuenta que el alcance mínimo para 𝑇𝑖𝑁𝑖3 es 37.8%, y el alcance máximo para 𝑁𝑖 es 100%.

6 %𝑁𝑖 =

𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 88 − 37.8 ∗ 100 = ∗ 100 𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 100 − 37.8 %𝑁𝑖 = 80.707%

%TiNi3 =

𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑜𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 100 − 88 ∗ 100 = ∗ 100 𝑏𝑟𝑎𝑧𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 100 − 37.8 %TiNi3 = 19.293%

Finalmente, la cantidad de fases presentes se presenta a continuación:

𝑀𝑁𝑖 = 𝑃 ∗ %𝑁𝑖 = 80.707% ∗ 1𝑘𝑔 = 0.807 𝑘𝑔 𝑀TiNi3 = 𝑃 ∗ %TiNi3 = 80.707% ∗ 1𝑘𝑔 = 0.193 𝑘𝑔

VIII.

CONCLUSIONES

Esta práctica ha tenido como finalidad poner en destreza de los conceptos acerca de fases isomorfas binarios el cual se muestra el cambio que puede sufrir una aleación o compuesto en variación de la composición y función de la temperatura de uno de sus constituyentes críticos. Se observó la inmensa cantidad de fases que se pueden crear debido a la variación en alguno de estos factores, lo que da lugar a un sinfín de compuestos que se pueden obtener tan solo variando la composición química en su estructura interna. Al momento de analizar una composición determinada en alguno de estos diagramas, es posible determinar la composición centesimal de cada una de las fases que envuelven a dicha concentración, como lo fue el ejemplo mostrado anteriormente. Es interesante observar que, según la formula usada anteriormente, mientras más lejos la concentración se encuentre de su fase correspondiente, menor cantidad de masa habrá para esa fase, y viceversa. Esto claramente es cierto, pues la concentración cada vez se aleja de su respectiva fase, desde el punto de vista observado. IX.

REFERENCIAS

[1] Wikipedia, «Fase (termodinámica),» Wikipedia, 30 Julio 2019. [En línea]. Available:

https://es.wikipedia.org/wiki/Fase_(termodin%C3% A1mica). [Último acceso: 25 Septiembre 2019]. [2] Wikipedia, «Diagrama de fase,» Wikipedia, 13 Julio 2019. [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase#Dia grama_de_fase_binario. [Último acceso: 26 Septiembre 2019]. [3] V. Radeva, Ciencia de los materiales, manual de practicas, Santo Domingo: INTEC, 2014.