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• DavidSantiagoForeroBareño

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Capítulo 9: Diagramas de Fase Temas...

• Cuando se combinan dos elementos...

qué estado de equilibrio se obtiene? • En particular, si especificamos...

--una composición (e.g., wt% Cu - wt% Ni), y --una temperatura (T) entonces...

Cuántas fases se obtienen? Cuál es la composición de cada fase? Cuánto de cada fase se obtiene? Phase B

Phase A

Nickel atom Copper atom

1

Soluciones sólidas y Equilibrio de Fases • Solución sólida: material en el cual los átomos que lo forman están dispersos uniformemente en estado sólido • Atomos sustitucionales o intersticiales

Fases y Diagramas de Fase Fase: porción físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie: -Misma estructura atómica -Misma composición y propiedades -Interfaz definida entre ésta y las fases que la rodean

Regla de las Fases de Gibbs Describe la relación entre la cantidad de componentes y cantidad de fases para un sistema y las variables que pueden modificarse (T,P)

Diagrama P-T, Mg

2+C=F+P Constante (T,P)

Número de fases

Grados de libertad

Componentes químicamente independientes

Fig. 10-2Askeland, 4 ed.

Regla de las Fases de Gibbs Para el punto A

Diagrama P-T, Mg

2+1=F+1 Constante (T,P)

Número de fases

Grados de libertad

Componentes químicamente independientes

Fig. 10-2Askeland, 4 ed.

Regla de las Fases de Gibbs Para el punto B

Diagrama P-T, Mg

2+1=F+2 Constante (T,P)

Número de fases

Grados de libertad

Componentes químicamente independientes

Fig. 10-2Askeland, 4 ed.

Regla de las Fases de Gibbs Para el punto X

Diagrama P-T, Mg

2+1=F+3 Constante (T,P)

Número de fases

Grados de libertad

Componentes químicamente independientes

Fig. 10-2Askeland, 4 ed.

Solubilidad y Soluciones Sólidas Solubilidad ilimitada - Solubilidad limitada - Insolubilidad

Askeland, 5 ed.

Equilibrio de Fase: Límite de Solubilidad Sucrose/Water Phase Diagram

• Límite de Solubilidad:

Max concentración en la cual solo existe una fase Temperature (°C)

10 0

Pregunta: Cuál es el límite de solubilidad a 20°C?

Respuesta: 65 wt% azúcar. Crystal Structure

electroneg

Ni

FCC

1.9

0.1246

Cu

FCC

1.8

0.1278

L

80

Solubility Limit

60

L

40

(liquid solution i.e., syrup)

20

(liquid) + S

(solid sugar)

r (nm) 20 40 60 80 Co =Composition (wt% sugar)

Fig. 9.1, Callister 7e.

• Solubilidad: estructuras cristalinas, electronegatividades y radios atómicos similares (W. Hume –Rothery rules)

100

Pure Sugar

Pure Water

0

Estrategias para Endurecimiento: Soluciones Sólidas • Átomos aleantes (impurezas) distorsionan la malla generando esfuerzos. • Esfuerzos generan una barrera al movimiento de las dislocaciones.

• Impureza sustitucional pequena

• Impureza sustitucional grande

A

C

B

Impureza genera esfuerzos locales en A y B que se oponen al movimiento de dislocación a la derecha

D

Impureza genera esfuerzos locales en C y D que se oponen al movimiento de dislocación a la derecha

Endurecimiento por solución sólida • Impurezas pequeñas tienden a concentrarse en las dislocaciones • Se reduce la movilidad de las dislocaciones  aumenta la resistencia

Fig. 7.17, Callister 7e.

Impurezas grandes se concentran en sitios de baja densidad

Endurecimiento por solución sólida

• Resistencia a la tensión y a la

cedencia aumentan con wt% de aleante. 1/ 2 s ~ C • Relación Empírica: y

• Aleaciones aumentan sy y RT. Fig. 10-7 Askeland 4e.

Fig. 10-7. Askeland 5ed.

Diagramas de Fase • Indica fases como función de T, Co y P. • Usamos: -sistemas binarios: 2 componentes. -variables independientes: T y Co (P = 1 atm).

T(°C)

• 2 fases:

1600

Diagrama de 1500 Fase para sistemas 1400 Cu-Ni

L (liquid) a (FCC solución sólida)

L (liquid)

• 3 fases: L L+a a

1300

a

1200

(FCC solid solution)

1100 1000

Fig. 9.3(a), Callister 7e. Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH (1991).

0

20

40

60

80

100

wt% Ni

Diagramas de Fase: Composición de Fases • Si se sabe T y Co, entonces: --se saben los tipos y fases presentes.

• Ejemplos: C o = 35 wt% Ni En TA = 1320°C: Solo Líquido (L) CL = Co ( = 35 wt% Ni) En TD = 1190°C: Solo Sólido ( a) Ca = Co ( = 35 wt% Ni) En TB = 1250°C: Ambos a y L C L = C liquidus ( = 32 wt% Ni) C a = C solidus ( = 43 wt% Ni)

Cu-Ni system

T(°C)

A

TA 1300

TB 1200

TD 20

tie line

L (liquid) B D 3032 35

CLCo

a (solid) 4043

50

Ca wt% Ni

Fig. 9.3(b), Callister 7e. (Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.)

Regla de la Palanca • Línea de enlace – conecta las fases en equilibrio esencialmente una isoterma T(°C)

Cuánto de cada fase? tie line

1300

L (liquid) B

TB

a (solid)

1200

S

R 20

R

30C C 40 C a L o

wt% Ni

WL 

Ma

ML

ML ML  Ma



50

S

M a S  M L R

Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e.

S R S



Ca  C0 Ca  CL

Wa 

R R S



C0  CL Ca  CL

Diagramas de Fase: Porcentaje de Fases • Si se sabe T y Co, entonces: --la cantidad de cada fase (en wt%).

• Ejemplos: C o = 35 wt% Ni En TA : Solo líquido (L) % L = 100 %, a=0 En TD : Solo sólido (a) W L = 0, Wa = 100 wt% ayL En TB :

WL  Wa 

43  35 S   73 wt % R + S 43  32

R = 27 wt% R +S

Cu-Ni system

T(°C)

A

TA

tie line

L (liquid)

1300

B R S

TB 1200

D

TD 20

3032 35

CLCo

a (solid)

40 43

50

Ca wt% Ni

Adapted from Fig. 9.3(b), Callister 7e. (Fig. 9.3(b) is adapted from Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. Nash (Ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991.)

Determine la composición de cada fase Cu-40%Ni a 1300°C, 1270°C.

Solidificación en Aleación binaria Cu-Ni • diagrama de fase : T(°C) L (liquid)

L: 35wt%Ni

sistema Cu-Ni.

• El sistema es: --binaria

1300 L: 35 wt% Ni a: 46 wt% Ni

i.e., 2 componentes: Cu and Ni.

i.e., solubilidad ilimitada de un componente en 1200 otro; fase a se extiende de 0 a 100 wt% Ni.

• Ejemplo: considerar Co = 35 wt%Ni.

A 35 32

--isomorfa

110 0 20

Cu-Ni system

B C

46 43

D

24

L: 32 wt% Ni

36

a: 43 wt% Ni

E

L: 24 wt% Ni a: 36 wt% Ni

a (solid) 30

Adapted from Fig. 9.4, Callister 7e.

35 Co

40

50

wt% Ni

Propiedades Mecánicas : Cu-Ni System • Efecto del endurecimiento por solución sólida en:

400 TS for pure Ni

300 TS for pure Cu

200 0 20 40 60 80 100 Cu Ni

Composition, wt% Ni

Adapted from Fig. 9.6(a), Callister 7e.

--Pico en función de Co

--Ductilidad (%EL,%AR) Elongation (%EL)

Tensile Strength (MPa)

--Resistencia a la tensión (TS)

60

%EL for pure Cu %EL for pure Ni

50 40 30

20 0 20 Cu

40

60

80 100 Ni

Composition, wt% Ni

Adapted from Fig. 9.6(b), Callister 7e.

--Min. como función de Co

Relación entre Propiedades y Diagrama de Fases

Fig. 10.14. Askeland 5ed.

Solidificación y segregación Microsegregación: segregación interdendrítica o segregación central. (Fragilidad en caliente) Macrosegregación: solidificación.

Velocidad de enfriamiento vs Equilibrio de Fases • Ca cambia al solidificarse. • Caso Cu-Ni:

Primer a a solidificarse tiene Ca = 46 wt% Ni. Ultimo a a solidificarse tiene Ca = 35 wt% Ni.

• Vel. alta de enfriamiento:

Estructura “nucleada” First a to solidify: 46 wt% Ni Last a to solidify: < 35 wt% Ni

• Vel. baja de enfriamiento:

Estructura de Equilibrio Uniform C a: 35 wt% Ni

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Endurecimiento por dispersion.

• Fases pequeñas para ser efectivo contra el movimiento de dislocaciones. • Se busca que sean ovaladas. • Transformaciones de fase • Fase eutéctica. • 1 Liq = 2 Sol

Compuestos intermetálicos

• Compuestos metálicos estequiométricos. (Composición fija) • Carburo de Hierro Fe3C