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DIAGRAMAS DE FASE

DIAGRAMAS DE FASE ✓ Los DIAGRAMAS DE FASE son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias T°s, Presiones y Composiciones, los cuales se construyen según las condiciones de equilibrio (enfriamiento lento). ✓ Los Diagramas de Fase también se conocen como Diagramas de Equilibrio o Diagramas de Constitución. ✓ Una FASE es una región de un diagrama que difiere en estructura y/o composición de otra región.

DIAGRAMA QUE MUESTRA DIFERENTES FASES

CARACTERÍSTICAS DIAGRAMAS DE FASE ✓ Se identifica como toda porción, que puede incluir la totalidad de un sistema, que es físicamente homogéneo dentro de sí mismo y limitado por una superficie. ✓ Es decir es una Porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes.

PROPIEDADES DE UNA FASE: ✓ Tiene la misma estructura o arreglo atómico ✓ Tiene la misma composición y propiedades ✓ Tiene una interfaz, que lo diferencia de otras fases

DIAGRAMAS DE FASE De los Diagramas de Fase se puede obtener la siguiente información: ✓ Conocer las fases presentes a ≠s Composiciones y T°s, bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). ✓ La solubilidad en el estado sólido y en el equilibrio de un elemento (o compuesto) en otro. ✓ La T° a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio, comienza a solidificar. ✓ La T° a la cual ocurre la solidificación. ✓ Concer la T° a la cual ≠s fases comienzan a fundirse.

Regla de las Fases de Gibbs Relaciona la cantidad de fases y de componentes de un sistema.

• La Regla de Fases de Gibbs es el concepto que indica el número de variables que es necesario especificar para fijar el estado termodinámico de un sistema. • Para un diagrama de fases existen variables como temperatura, presión y composición. • Otras variables que influyen son: Electricidad, magnetismo, gravedad, fuerzas estáticas y fuerzas de superficie. • En un sistema en equilibrio el número de variables independientes F o grados de libertad, que se necesitan para fijar el estado termodinámico (Temperatura, presión, composición, fases), está dado por la regla (Relación): F = C – P + 2 C: Número de componentes, elementos o compuestos. P: Número de fases. 2 representa las variables de presión y temperatura. F: Es el número de variables que pueden cambiarse independientemente sin alterar el número de fases = Grados de Libertad El líquido y el sólido son incompresibles a presiones NORMALES, por lo que la regla queda: F = C – P + 1

DIAGRAMA DE FASE H2O De la figura 9.2: a) Punto triple (0): P(3) + F = C (H2O) + 2 F = 0 Punto invariante No hay grados de libertad b) Punto en la curva sólido– líquido (2), ó líquido vapor (3): P(2) + F = C (H2O) + 2 F = 1 Un grado de libertad. Se puede variar únicamente la P o la T y se mantienen las dos fases ó el mismo estado. c) Un punto en la fase líquida (4): P(1) + F = C (H2O) + 2 F = 2 Dos grados de libertad. Se puede variar la T y la P al mismo tiempo, y se mantiene la misma fase, o el mismo estado termodinámico.

REACCIONES INVARIANTES DE 3 FASES QUE SE PRESENTAN EN DIAGRAMAS DE FASE BINARIOS 1. Rx Eutéctica 2. Rx Eutectoide 3. Rx Peritéctica 4. Rx Peritectoide 5. Rx Monotéctica

REACCIONES INVARIANTES DE 3 FASES QUE SE PRESENTAN EN DIAGRAMAS DE FASE BINARIOS

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C 0,09% C

(0,17% C) (0,53% C)

La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.

No magnética

magnética

Es un componente con Velocidad de descomposición lenta y Metaestable

La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros.

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

SISTEMAS DE ALEACIONES ISOMORFAS BINARIAS ➢ Una aleación binaria es una mezcla de dos metales y constituye un sistema de dos componentes. ➢ En algunos sistemas los dos componentes son completamente solubles entre sí, tanto en estado sólido como líquido. ➢ En estos sistemas solo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones y se llaman sistemas isomorfos, los cuales satisfacen una o más de las siguientes reglas de solubilidad de sólidos de HumeRothery: 1. 2. 3. 4. 5.

Las estructuras cristalinas de c/elemento deben ser iguales. El tamaño atómico de c/u de ellos, no debe diferir en más del 15% . Los elementos no deben formar compuestos entre sí. No deben tener diferencias apreciables de electronegatividades. Los elementos deben tener la misma valencia.

DIAGRAMAS DE FASE BINARIOS ✓ Cuando hay completa solubilidad en el estado sólido y en el estado líquido, hay un tipo de estructura cristalina, para todas las composiciones, recibiendo el nombre de sistemas isomorfos. ✓ RECORDAR!!!! ✓ Los dos elementos deben cumplir con alguna (s) de las reglas de solubilidad de Hume-Rothery: ✓Ejemplo la aleación Cu-Ni

SISTEMA ISOMORFO DE ALEACIÓN BINARIA Cu - Ni

ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIO DE UNA ALEACIÓN Cu-Ni

SISTEMA ISOMORFO DE ALEACIÓN BINARIA Cu - Ni REGLA DE LA PALANCA

Cantidad de Fases para una Composición Co en el punto B

PROPIEDADES MECÁNICAS ALEACIÓN Cu-Ni

ANÁLISIS EN LOS DIAGRAMAS DE FASE 1. FASES PRESENTES: LAS QUE SE ENCUENTRAN EN UN ÁREA DENTRO DEL DIAGRAMA. EJEMPLO: L, α, β, ϒ……ETC. 2. COMPOSICIÓN DE FASES: SE TRAZA LA ISOTERMA A LA T° DADA Y DONDE ESTA INTERSECTE LAS LÍNEAS DE FASE DEL DIAGRAMA, SE DETERMINA LA COMPOSICIÓN DE DICHAS FASES. 3. CANTIDADES DE FASES: DE ACUERDO A LA T° Y COMPOSICIÓN DADAS, SE APLICA LA REGLA DE LA PALANCA, Y SE OBTIENE EN % LAS FASES PRESENTES. 4. FASES PRO: SE GENERAN A T°, SUPERIORES A LAS REACCIONES INVARIANTES. IMPORTANTE ES CONOCER SI LA COMPOSICIÓN ES HIPO O HIPER PARA SABER QUE FASE PRO SE FORMA. 5. LAS FASES PRO (GENERALMENTE EUTÉCTICA Y EUTECTOIDE) SIEMPRE SERÁN IGUALES INMEDIATAMENTE ANTES DE LA RX (pero a una temperatura T° + ∆T°) E INMEDIATAMENTE DESPUÉS DE LA RX QUE SE GENERE (a temperatura T° - ∆T°).

PROBLEMA ➢ Una aleación contiene 35% en peso de Ni y 65% de Cu. (Ver diagrama de fases) Calcular: 1. Cuál es el % en peso de Cu y Ni en las fases sólida y líquida a 1250°C. (composición de fases) 2. Qué % en peso de la aleación es líquida y sólida. (cantidades de fases)

SOLUCIÓN 1. Cuál es el % en peso de Cu y Ni en las fases sólida y líquida a 1250°C. ✓ De la Figura la intersección de la isoterma con el líquido resulta de 32% Ni y 68% Cu ✓ De igual forma la intersección de la isoterma con el sólido resulta de 43% Ni y 57% Cu 2. Qué % en peso de la aleación es líquida y sólida. ✓ Teniendo en cuenta la Regla de la Palanca se tiene: ✓ W0 = 35% Ni = Composición de la aleación ✓ Wl = 32% Ni Ws = 43% Ni Fracción en Peso de Fase líquida: Xl = (Ws - W0)/(Ws – Wl) = (43 – 35)/(43 – 32) = 0,727 Fracción en Peso de Fase sólida: Xs = (W0 - Wl)/ (Ws – Wl) = (35 – 32)/(43 – 32) = 0,273

DIAGRAMA CON Rx EUTÉCTICA Punto invariante

Fracción en peso

Fracción volumétrica

DIAGRAMA CON Rx EUTÉCTICA REGLA DE LAS FASES DE GIBBS Los diagramas de fase binarios usados para materiales, son diagramas T° - Composición, en los que la Presión se mantiene constante, luego la regla de fases está dada por:

Presión constante: 1 atm : N: 1

C: número de componentes: Cu + Ag = 2

DIAGRAMA DE FASE Pb-Sn

α+β

REGLA DE LA PALANCA

COMPOSICIÓN PROEUTÉCTICA:

COMPOSICIÓN EUTÉCTICA:

ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIO

ENFRIAMIENTO EN EQUILIBRIO PARA UNA COMPOSICIÓN EUTÉCTICA

Capas o láminas alternas de alfa y beta

REPRESENTACIÓN Y MICROESTRUCTURA DE LA COMPOSICIÓN EUTÉCTICA

Los átomos de plomo se difunden hacia las capas de la fase alfa, ya que esta rica en plomo. Los átomos de estaño difunden hacia las capas de beta, ricas en estaño.

ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN Pb-Sn HIPOEUTÉCTICA

PROBLEMA 2,3 kg de una aleación de 30% de Ag y 70% de Cu se enfría lentamente desde 1000°C. De acuerdo con el diagrama de fases Cu-Ag, determine lo siguiente: 1. La composición de las fases y el porcentaje en peso del líquido y del Proeutéctico alfa a 920°C. 2. La composición de las fases y el porcentaje en peso del Líquido y del Proeutéctico alfa justo encima de la temperatura eutéctica (779°C) y el peso en kg de estas fases. 3. La composición y el peso en kg de alfa y beta formados por la reacción eutéctica. 4. Para 2,3 kg de una aleación de 90% de Ag y 10% de Cu, determine la composición y los porcentajes en peso de las fases presentes, inmediatamente antes y después de la Rx eutéctica generada.

DIAGRAMA Cu-Ag

PROBLEMA Una aleación Pb-Sn contiene un 58% en peso de proeutéctico α y un 42% en peso de eutéctico α + β a 183° + ∆T. Calcular la composición promedio de esta aleación.

SOLUCIÓN PROBLEMA • αPROEUTÉCTICO = ( 61.9 – X ) / ( 61.9 – 18.3 ) = 0,58 X = 36,6% Sn • Si se tuviera otra aleación Pb-Sn que contiene un 80% en peso de proeutéctico β y un 20% en peso de eutéctico α + β a 183° + ∆T, cómo calcularía la composición promedio de esta aleación?

REACCIONES EUTÉCTICA, EUTECTOIDE Y PERITÉCTICA

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C 0,09% C

(0,17% C) (0,53% C)

La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.

No magnética

magnética

Es un componente con Velocidad de descomposición lenta y Metaestable

La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros.

DIAGRAMA DE FASES Fe-C

DIAGRAMA DE FASES Fe-C

PROBLEMA Realizar los análisis de fases (composición y porcentaje en peso) de los siguientes puntos para el diagrama Fe-C, el cual presenta tres Rx Invariantes. 1. En el Punto con 0,17 % de C y 1493°C 2. En el Punto con 4,3 % de C y 1147°C 3. En el Punto con 0,76 % de C y 727°C 4. Para una Composición de 0,3% de C inmediatamente antes y después de la T° Eutectoide. 5. Para una composición de 1% de C inmediatamente antes y después de la T° Eutectoide.

ENFRIAMIENTO PARA UNA ALEACIÓN EUTECTOIDE Perlita: compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%.

Laminas alternas de ferrita y cementita, es decir, perlita.

Cementita: celdas ortorrómbicas con 12 átomos de hierro (en naranja en la figura) y 4 átomos de carbono (en color morado) por celda. 700 Brinell, 68 HRC.

ENFRIAMIENTO PARA UNA COMPOSICIÓN HIPOEUTECTOIDE

ENFRIAMIENTO PARA UNA COMPOSICIÓN HIPEREUTECTOIDE

PROBLEMA Realizar los análisis de fases de los siguientes puntos para el diagrama Pt-Ag, el cual presenta una Rx Invariante peritéctica a 1186°C y a una composición de 42,4% de Ag. 1. En el Punto con 42,4 % de Ag y 1400°C 2. En el Punto con 42,4 % de Ag y 1186°C + ∆T 3. En el Punto con 42,4 % de Ag y 1186°C - ∆T 4. En el Punto con 60 % de Ag y 1150°C

DIAGRAMA PROBLEMA Pt-Ag

DIAGRAMA Cu-Pb

°

1084,5

991,63°

87 36

326°

Cu

955°

REACCIÓN PERITECTOIDE

ENFRIAMIENTO DE ALEACIONES EN NO EQUILIBRIO

SEGREGACIÓN ▪ Debido a que la difusión atómica en estado sólido es muy lenta, se requiere un largo periodo de tiempo para eliminar los gradientes de concentración. ▪ Por esta razón las microestructuras de piezas recién fundidas que han sido enfriadas muy lentamente, presentan estructuras segregadas, originadas por regiones de diferente composición química. ▪ Estas estructuras resultantes no son deseadas, si los materiales posteriormente se procesarán mediante conformado. ▪ Para eliminar la estructura segregada hay que someter las piezas a un tratamiento térmico de homogenización. ▪ Dicho tratamiento consiste en calentar el material generalmente a T°s por encima de la crítica para acelerar el proceso de difusión en estado sólido, generando una estructura homogénea en la aleación del material.

ENFRIAMIENTO EN NO EQUILIBRIO SEGREGACIÓN

La distribución de los dos elementos dentro del grano no es uniforme, es decir, hay un gradiente de concentración a través de los granos. La primera parte del grano es rica del elemento con mayor temperatura de fusión. En el límite de grano la concentración es mayor en el elemento de menor temperatura de fusión.

ESTRUCTURAS SEGREGADAS

DIAGRAMAS CON FASES INTERMEDIAS ✓ Muchos diagramas de equilibrio son complejos y presentan fases o compuestos intermedios. ✓ Es conveniente distinguir entre dos tipos de soluciones sólidas: fases terminales y fases intermedias. ✓ Las fases terminales se presentan al final de los diagramas, en los límites de los componentes puros. ✓ Las fases intermedias están separadas de otras fases en los diagramas binarios por regiones de dos fases. ✓ En el diagrama Cu-Zn, las fases terminales son α y ƞ. Mientras que las fases intermedias son β, ϒ, δ, ε. ✓ Las fases intermedias no están restringidas solo a diagramas de fases metálicos binarios. En los diagramas de materiales cerámicos se presentan fases intermedias.

DIAGRAMA Cu-Zn CON FASES INTERMEDIAS

DIAGRAMAS DE FASES CON COMPUESTOS INTERMEDIOS ✓ Los compuestos intermedios se forman entre dos metales o entre un metal y un no metal. ✓ El diagrama de fases Ti-Ni, tiene como compuestos intermedios el Ti2Ni, el TiNi y el TiNi3, los cuales tienen enlace metálico y poseen composición y estequiometrias definidas. ✓ Los compuestos TiNi y TiNi3, son compuestos de fusión congruente, ya que mantienen su composición hasta el punto de fusión. ✓ El compuesto Ti2Ni, es un compuesto de fusión incongruente, ya que en el calentamiento, sufre una descomposición peritéctica a 984°C en un líquido y en una fase TiNi.

DIAGRAMA DE FASES Ti-Ni CON COMPUESTOS INTERMEDIOS

COMPUESTOS INTERMETALICOS

Están formados por dos o más elementos que producen una nueva fase con su composición

DIAGRAMA Mg- Pb CON COMPUESTO INTERMEDIO Transformación de fase congruente: No hay alteración en la composición

DIAGRAMAS DE FASE TERNARIOS

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS Son aquellos que tienen tres componentes. ✓ Se construyen utilizando un triángulo equilátero como base. ✓ Los componentes puros (A, B, C) se representan en cada vértice del triángulo.

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS ✓ Las composiciones binarias AB, BC y CA, están representadas en los tres lados del triángulo. ✓ Estos diagramas se construyen a una presión constante de 1 atmósfera.

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS ✓ La T° se representa uniformemente a lo largo de todo el diagrama. ✓ Los diagramas ternarios se conocen como secciones isotérmicas. ✓ El vértice A indica 100% del metal A, el vértice B 100% del metal B y el vértice C 100% del metal C.

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS ✓ Para calcular el porcentaje en peso de c/metal puro, se traza una línea perpendicular desde el vértice de un metal hasta el lado opuesto del triángulo y sobre dicha línea se mide la fracción en peso del metal puro para un punto determinado. ✓ Conociendo dos %s, se calcula el tercero.

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS

DIAGRAMA TERNARIO PARA MATERIALES CERÁMICOS

DIAGRAMA TERNARIO DEL SUELO

DIAGRAMA TERNARIO PARA EL PETRÓLEO CRUDO

DIAGRAMA TERNARIO PARA EL CICLOHEXANO – ETANOL - AGUA

DIAGRAMA TERNARIO QUE MUESTRA LA FLAMABILIDAD DEL GAS METANO CH4

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