• Author / Uploaded
• Mar Carrasco Carrasco

• Categories
• Diagrama de fases
• Solubilidad
• Aleación
• Equilibrio químico
• Temperatura

Citation preview

TEMA 5. DIAGRAMAS DE FASES

5.1 Conceptos previos Los diagramas de fases son representaciones gráficas de las distintas fases que están presentes, a diferentes temperaturas y composiciones, en un sistema de aleación, asociándose a microestructuras cristalinas a partir de la regla de las fases de Gibbs. Antes de entrar en el estudio de los diagramas de fases es necesario conocer una serie de definiciones: • Sistema: Es una mezcla de elementos simples o compuestos en proporciones variables, entre los que se pueden producir transformaciones químicas, físicas o físico-químicas. • Límite de solubilidad: Es la concentración máxima de átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una disolución sólida. • Fase: Es una porción de microestructura física y químicamente homogénea del sistema que difiere de otra en composición y/o estructura. • Equilibrio de un sistema: Un sistema está en equilibrio cuando las fases que lo integran no sufren variaciones con el tiempo, a menos que se le suministre energía. En todo sistema en equilibrio se cumple la regla de las fases de Gibbs: 1+3 =5+2 F = número de fases que pueden coexistir en el sistema. L = Grados de libertad o número de variables (presión, temperatura y composición) que se pueden cambiar independientemente. C = Número de componentes del sistema.

Generalmente, los diagramas de fase binarios consideran que la presión se mantiene constante, por lo que la expresión de la regla de las fases se reduce a: 1+3 =5+1 • Curvas de enfriamiento: Son representaciones gráficas del enfriamiento de un metal o aleación desde el estado líquido hasta el sólido, en función del tiempo. Se emplean para determinar las temperaturas de transición. En la figura se muestra la curva de enfriamiento para un metal puro. Si se Tema 5. Diagramas de fases

55

permite que el metal se enfríe en condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), su temperatura cae continuamente a lo largo de la línea AB de la curva. En el punto de fusión (temperatura de congelación) comienza la solidificación y la curva de enfriamiento se vuelve plana (segmento horizontal BC, también llamada meseta o región de confinamiento térmico) y permanece plana hasta que se completa la solidificación. En la región BC, el metal está en forma de mezcla de fases sólidas y líquidas. A medida que se acerca al punto C, la fracción de peso del sólido de la mezcla aumenta hasta que termina la solidificación. La temperatura permanece constante porque hay un equilibrio entre la pérdida de calor del metal por el molde y el calor latente suministrado por el metal que se solidifica. En palabras llanas, el calor latente mantiene a la mezcla a la temperatura de congelación hasta que se alcanza la solidificación completa. Después de concluir la solidificación en C, la curva de enfriamiento mostrará de nuevo una disminución de la temperatura con el tiempo (segmento CD de la curva). Sin embargo, es necesario algún grado de subenfriamiento (enfriamiento por debajo dela temperatura de congelación) para la formación de núcleos sólidos. El subenfriamiento aparecerá en la curva de enfriamiento como una disminución por debajo de la temperatura de congelación. 5.2. Diagrama de fase de sustancias puras Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólida, líquida y vapor, según sean las condiciones de temperatura y presión. Vamos a poner dos ejemplos: 5.2.a. Diagrama de fases del agua pura: Un ejemplo de dos fases de una sustancia pura en equilibrio, es un vaso de agua que contiene hielo. En este caso, el agua, sólida y líquida, da lugar a dos fases distintas separadas por una fase límite, la superficie del hielo. Durante la ebullición del agua, el agua líquida y el agua vaporizada constituyen dos fases en equilibrio. En la figura se muestra una representación gráfica de las fases del agua que existen bajo diferentes condiciones de presión y temperatura. En el diagrama de fases presióntemperatura (PT) del agua existe un punto triple a baja presión (4.579 torr) y baja temperatura (0.0098°C) donde coexisten las fases sólida, líquida y vapor. Las fases líquida y vapor se dan a lo largo de la línea de vaporización y las fases Tema 5. Diagramas de fases

56

líquida y sólida a lo largo de la línea de congelación. Estas líneas son de equilibrio entre dos fases. 5.2.b. Diagrama de fases del hierro puro: Una diferencia fundamental de ese diagrama de fase es que tiene tres fases sólidas distintas y separadas: alfa (α) Fe, gamma (γ) Fe, y delta (δ) Fe. El hierro alfa y el hierro delta tienen estructuras cristalinas BCC, mientras el hierro gamma tiene una estructura FCC. Los límites de fase en el estado sólido tienen las mismas propiedades que los límites de las fases líquida y sólida. Por ejemplo, bajo condiciones de equilibrio, el hierro alfa y gamma pueden existir a una temperatura de 910°C y 1 atmósfera de presión. Por encima de 910°C sólo existe la fase sencilla gamma, y por debajo de 910°C sólo existe la fase sencilla alfa. Hay también tres puntos triples en el diagrama PT del hierro donde coexisten las tres fases diferentes: 1) líquido, vapor y δFe, 2) vapor, δFe y γFe, y 3) vapor, γFe y αFe. 5.3. Aleaciones metálicas Una aleación es la mezcla de dos o más metales. Los sistemas de aleación más sencillos son los binarios, formados por dos elementos o componentes del sistema, de forma que el mayoritario siempre es metálico. Puede haber también aleaciones ternarias, cuaternarias, etc. Las cantidades en que los diferentes elementos entran a formar parte de una aleación son variables, siendo la mayoría de los metales solubles entre sí en estado líquido (fundido) pero durante la solidificación los elementos se pueden incorporar a la red cristalina del metal base (decimos entonces que son solubles en el estado sólido) o no incorporarse (considerándose como insolubles). 5.3.a Aleaciones solubles en el estado sólido: Debido a que la solubilidad es total, en estos sistemas solo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones. Por eso se les llama sistemas isomorfos. En función de la disposición de los átomos del soluto o aleante en la red del solvente o metal base, se distinguen dos tipos de soluciones sólidas: • Soluciones sólidas sustitucionales (o de sustitución): Los átomos del metal base (solvente) son sustituidos por átomos del aleante (soluto) mediante un proceso Tema 5. Diagramas de fases

57

que se ve favorecido por las vacantes de la red. La sustitución puede ser de forma ordenada o desordenada. Para que dos elementos tengan solubilidad completa entre sí, tienen que satisfacer una o más de las siguientes condiciones, llamadas reglas de la solubilidad sólida de Hume-Rothery: 1- El tamaño de los átomos de cada uno de los elementos no debe diferir en más de un 15 %. 2- Los elementos do deben formar compuestos entre sí, esto es, no debe haber una diferencia apreciable de electronegatividad de los dos elementos. 3- La estructura cristalina de cada elemento de la solución sólida debe ser la misma. 4- Los elementos deben tener el mismo número de oxidación. • Soluciones sólidas intersticiales (o de inserción): Los átomos del aleante ocupan los intersticios de la red del metal base. La posibilidad de formación de una solución de este tipo está en función de la relación de los radios atómicos y del tipo de red cristalina. Los átomos de pequeño tamaño pueden entrar a formar parte de disoluciones intersticiales. 5.3.b. Aleaciones insolubles en estado sólido: No siempre un elemento es soluble en la red de otro. Cuando las densidades son parecidas se originan emulsiones de manera que la aleación está constituida por partículas globulares de uno de ellos en la matriz del otro. 5.4. Diagramas de fase de aleaciones binarias isomorfas Consideramos una aleación de dos componentes A y B que son completamente solubles en todo el intervalo de composición y de temperatura, tanto en estado sólido como en estado líquido. Debido a esto, el único tipo de fase sólida formado para todas las composiciones de los dos componentes será una solución sólida sustitucional, en la que los dos componentes tendrán, en general, el mismo tipo de estructura cristalina. 5.4.a. Construcción del diagrama de fases: Un ejemplo importante de un sistema de aleación binaria isomorfa es el sistema cobre-níquel. Si se determina la curva de enfriamiento de mezclas de distintas composiciones se podrá comprobar que las Tema 5. Diagramas de fases

58

curvas de enfriamiento de los metales puros muestran una línea horizontal, porque el inicio y el final de la solidificación tiene lugar a una temperatura constate. Sin embargo, como las composiciones intermedias muestran una solución sólida, todas las curvas intermedias presentan dos cambios de pendiente; el primero, Lx, indica el principio de la solidificación, mientras que el segundo, Sx, corresponde al final de la solidificación. El diagrama de fases puede obtenerse cuando se representa (tomando los valores de la serie de curvas de enfriamiento) la temperatura frente a la composición. Una vez representados, se unen mediante una línea todos los puntos correspondientes al principio de la solidificación (línea de líquidus) y todos los puntos correspondientes al final de la solidificación (línea de sólidus)

5.4.b. Interpretación del diagrama de fases: El diagrama de fases resultante consta de dos puntos, dos líneas y tres áreas: - Los puntos representan los puntos de solidificación de los dos metales puros (A y B). - La línea superior, llamada línea de líquidus, se obtiene al unir los puntos que corresponden al principio de la solidificación. - La línea inferior, llamada línea de sólidus, determina los puntos que muestran el final de la solidificación. - El área que se encuentra por encima de la línea de líquidus es una región unifásica y cualquier aleación esta región es una solución líquida homogénea, L, de los dos metales A y B. - El área que se encuentra por debajo de la línea de sólidus es una región unifásica y cualquier aleación esta región es una solución sólida homogénea, α (las soluciones sólidas se representan con letras griegas), de los dos metales A y B. - Entre las líneas de sólidus y de líquidus existe una región bifásica, de modo que cualquier aleación en esta región está constituida por una mezcla de una solución líquida y de una sólida (L + α).

Tema 5. Diagramas de fases

59

Si aplicamos la regla de las fases de Gibbs al sistema (1 + 3 = 5 + 1), obtenemos tres posibles valores para los grados de libertad: - A la temperatura de fusión de los componentes puros: Hay dos fases (líquido y sólido) y un componente. Por lo tanto, resulta un grado de libertad de 0 (L = 0). Estos puntos se denominan puntos invariables. En ellos el sistema tiene un solo componente, de forma que al variar la temperatura se modifica la microestructura hacia la del líquido por calentamiento o hacia la del sólido por enfriamiento. - En las regiones monofásicas: Hay una fase (sólido o líquido, según donde estemos) y dos componentes. Por lo tanto, hay dos grados de libertad (L = 2). Esto significa que tanto la temperatura como la composición se pueden modificar de forma independiente sin que afecte a la naturaleza de la microestructura. - En la región en la que coexisten las dos fases: Hay dos fases y dos componentes. Por lo tanto, hay un solo grado de libertad (L = 1). Por eso, solo una variable (ya sea la composición o la temperatura) pueden modificarse independientemente del tiempo que se mantiene la estructura bifásica del sistema. Si se modifica la temperatura, la composición de las fases también variará. 5.4.c. Cantidad relativa de las fases. Regla de la palanca: Los porcentajes en peso de las fases en cualquiera de las regiones de doble fase de un diagrama de fases en equilibrio binario, se pueden calcular usando la regla de la palanca. Para obtener las ecuaciones de la regla de la palanca se considera un diagrama de fases binario en equilibrio de dos elementos A y B, que son completamente solubles el uno en el otro. Sea x la composición de la aleación y w0 la fracción en Tema 5. Diagramas de fases

60

peso de B en A. Sea T la temperatura y constrúyase la línea de enlace a esa temperatura T desde la línea de liquidus en el punto L hasta la del sólido en el punto S (LS), formando la línea de enlace LOS. A la temperatura T, la aleación x consta de una mezcla de líquido de fracción en peso wl de B y de sólido de fracción en peso ws de B. Las ecuaciones de la regla de la palanca son las siguientes (deducción en páginas 232-233 del Smith): 1OPQQRóS TS UTVW XT YP ZPVT VóYRXP: [\ =

]^ − ]` ]a − ]`

1OPQQRóS TS UTVW XT YP ZPVT YíbcRXP: [d =

]a − ]^ ]a − ]`

5.4.c. Enfriamiento de una aleación: Existen dos formas de enfriar una aleación: • Enfriamiento (solidificación) en equilibrio: En el proceso de enfriamiento lento de una aleación con una composición determinada, desde el estado líquido hasta el sólido, se pasa por distintos procesos, en los cuales el porcentaje de líquido va siendo cada vez menor y cada vez mayor el porcentaje de sólido, hasta que se llega completamente al estado sólido:

• Enfriamiento (solidificación) fuera del equilibrio: En la realidad, es muy difícil enfriar las aleaciones bajo condiciones suficientemente lentas para alcanzar el equilibrio. Por lo tanto, cabe esperar discrepancias respecto a la microestructura del equilibrio y aparece una estructura con gradiente de concentración, es decir, con segregaciones originadas por regiones de diferente composición química. El sistema de aleación de cobre-níquel proporciona un buen ejemplo que describe cómo se origina una estructura con gradiente de concentraciones. Considérese, por ejemplo, una aleación de 70% Ni-30% Cu que se solidifica a partir de una temperatura T0 de forma rápida. El primer sólido se forma a una temperatura T1 y tiene una composición α1. Más allá del enfriamiento rápido que lleva a T2, se formarán capas adicionales de composición α2 sin muchos cambios en la Tema 5. Diagramas de fases

61

composición del primer sólido solidificado. La composición global a la temperatura T2 estará comprendida entre α1 y α2 y se designará como α’2. El resultado es una estructura segregada dendríticamente. En esta estructura habrá más líquido y menos sólido en la aleación solidificada rápidamente que si hubiera sido solidificada bajo condiciones de equilibrio hasta alcanzar la misma temperatura. Para eliminar la estructura con gradiente de concentraciones, los lingotes o piezas fundidas se calientan a temperaturas elevadas para acelerar la difusión en el estado sólido. Este proceso se llama homogeneización, ya que produce una estructura homogénea en la aleación. El tratamiento térmico de homogeneización se debe realizar a una temperatura menor que la del sólido que funda más bajo en la aleación fundida o, de otra forma, la aleación se fundiría. Para homogeneizar la aleación 70% Ni-30% Cu anterior, se debería emplear una temperatura justo debajo de T7.

5.4.d. Aleaciones de fusión congruente: Existen sistemas en los que la línea de líquidus y de sólidus pasa a través de un mínimo o de un máximo, de manera que la aleación cuya composición coincide con este máximo o este mínimo se comporta durante la solidificación como un metal puro. Este tipo de sistemas se analizan de igual forma que el resto del grupo, siendo ejemplos característicos los sistemas Cu-Au y Ni-Pd

Tema 5. Diagramas de fases

62

5.5. Transformaciones eutécticas Son transformaciones en las que un líquido (L) se transforma en dos sólidos diferentes (α y β) en un punto determinado que es un punto invariante.

A este punto se le llama punto eutéctico y es un punto invariable porque tiene cero grados de libertad. La transformación eutéctica ocurre a una composición determinada (composición eutéctica) y a una temperatura determinada (temperatura eutéctica). Esta temperatura eutéctica es la mínima temperatura a la cual la fase líquida puede existir si se enfría lentamente. 5.5.a. Curvas de enfriamiento de una aleación eutéctica: Cuando se estudia la curva de solubilidad del sistema formado por dos metales A y B que sufren una transformación eutéctica se observa un tramo horizontal en los puntos de solidificación de los metales puros. Sin embargo, en las curvas de enfriamiento de las mezclas, a medida que se agrega B a A, o al revés, se observa que la temperatura para el comienzo de la solidificación disminuye. Además, todas las curvas tienen un tramo horizontal que coincide con el mínimo de la curva que une los puntos de solidificación. Este punto mínimo es el punto eutéctico. La composición a la que coincide la temperatura de solidificación y el tramo horizontal se le llama temperatura eutéctica. 5.5.b. Dos metales solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido: • Evolución microestructural de la aleación a: Es hipoeutéctica y se encuentra en forma líquida hasta llegar a la línea de líquidus, donde comienza a solidificarse formando núcleos de metal puro A. Por eso el líquído es cada vez más rico en B hasta alcanzar la temperatura eutéctica. Por debajo de esta temperatura solidifica también B de modo eutéctico, originando de modo alternativo los metales A y B puros. La microestructura final está constituida por granos de A Tema 5. Diagramas de fases

63

proeutéctico, rodeados por la mezcla eutéctica de A y B. La determinación de las cantidades relativas de A y B por debajo del punto eutéctico se hace con la regla de la palanca: [h _ i′ gk _ [h g(%9 4 i8%9 4 g′ _ i′ g′ _ i′ • Evolución microestructural de la aleación b: Corresponde a la composición del punto eutéctico. En ella el líquido solidifica alternativamente, A y B puros, dando como resultado una mezcla muy fina de ambos metales, conocida como mezcla eutéctica. • Evolución microestructural de la aleación c: Corresponde a una aleación hipereutéctica, similar a la aleación a, pero ahora se depositan cristales de B

5.5.c. Dos metales solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido: La mayoría de los metales presentan solubilidad parcial en el estado sólido, así los metales A y B forman soluciones sólidas terminales de A en B 8β9 y de B en A 8α9, cuyos campos de existencia quedan delimitados por la línea de sólidus, los metales puros y la línea de solubilidad 8o línea de solvus9 y como los metales son parcialmente solubles las fases presentes en el eutéctico son α y β en vez de A y B. • Evolución microestructural de la aleación a: Es la aleación eutéctica del sistema. Al cruzar la isoterma correspondiente al eutéctico, la fase líquida se transforma en las fases α y β sólidas que se presentan en capas alternas. • Evolución microestructural de la aleación b: Es hipoeutéctica y se explica igual que la aleación a del punto 5.5.b. • Evolución microestructural de la aleación c: La solidificación de esta Tema 5. Diagramas de fases

64

•

solución comienza en T2 y termina en T3 originando la solución sólida α como fase homogénea única, sin embargo si se sigue disminuyendo la temperatura, se satura de B la solución α, por lo que el exceso de B debe salir de la solución, pero como A es soluble en B, el precipitado formado no aparece como metal puro B sino como solución sólida β. Evolución microestructural de la aleación d: La solución comienza a solubilizar en T4 y termina en T5. A partir de este momento será una solución sólida α homogénea.

Las microestructuras correspondientes a las aleaciones e, f y g son similares a las aleaciones b, c y d respectivamente, resultando los siguientes sólidos:

5.6. Transformación peritéctica La mayoría de los diagramas de equilibrio son más complejos y presentan compuestos y fases intermedias, además de las fases terminales. - Fase terminal es aquella que se presenta en los extremos de los diagramas de fase bordeando los componentes puros. - Fase intermedia es aquella que se presenta en un rango de composiciones dentro del diagrama de fases y están separadas de otras fases en un diagrama binario por regiones de dos fases. Si el compuesto intermedio se forma entre dos metales hablamos de compuesto intermetálico (o sencillamente de un intermetálico). Una transformación peritéctica es una transformación incongruente en la que una fase líquida y una fase sólida reaccionan isotérmicamente para dar una nueva fase sólida al enfriarse.

Tema 5. Diagramas de fases

65

En el diagrama de fases de la figura se puede apreciar una transformación eutéctica a 400 ºC. Ademas se encuentra presente una fase intermedia incongruente AmBn que cuando se calienta a la temperatura peritéctica (600 ºC) se descompone en las fases líquida L y sólida A(s). Este paso es una transformación peritéctica. Las líneas quedan delimitadas así: - Línea de líquidus: TA-D-E-TB - Línea de sólidus: TA-TP-G-J-TE - Línea de reacción peritéctica: TP-D • Evolución microestructural de la aleación a: La mezcla líquida comienza a enfriarse permaneciendo líquida hasta que alcanza la línea de líquidus en T1. Nada más pasar esta línea comienza la solidificación de A puro, de manera que a medida que disminuye la temperatura el líquido es más pobre en A. Al traspasar la línea de la temperatura peritéctica la cantidad de líquido reacciona con la cantidad de A que quedaba libre y produce el compuesto AmBn, sobrando parte del metal A: g(V) + 3 → gp iq + g(V) La reacción tiene lugar alrededor de toda la superficie de cada grano de sólido A que se encuentra en contacto con el líquido, de manera que cada grano de A queda rodeado del compuesto AmBn. Cuando la reacción termina todo el líquido se habrá consumido quedando una estructura formada por granos de A(s) que eran el reactivo en exceso, rodeados del compuesto AmBn. Un esquema del proceso completo sería:

Tema 5. Diagramas de fases

66

• Evolución microestructural de la aleación b: La aleación b solidifica sólido puro cuando la línea de líquidos se cruza en T3, y conforme continúa la solidificación el líquido se hace más rico en B. Cuando atraviesa el punto H, como la línea G-D no forma parte de la línea de sólidus cierta cantidad de líquido debe permanecer después de la reacción que tiene lugar, por lo que todo el sólido A reacciona con parte del líquido para dar el compuesto AmBn, sobrando parte del líquido: g(V) + 3 → gp iq + 3 Cuando la temperatura sigue descendiendo se alcanza el punto E, que es la temperatura eutéctica, solidificando en la mezcla eutéctica de AmBn + B. El esquema de todo el proceso es el siguiente:

• Evolución microestructural de la aleación 30%B-70%A: A esta composición al enfriar y pasar la temperatura peritéctica solo se forma el compuesto AmBn. El esquema del proceso es el siguiente:

Además de la transformación peritéctica estudiada en la que el sólido resultante es una fase intermedia, existen otros sistemas (como el Ag-Pt) en el que la transformación peritéctica da como resultado una solución sólida terminal, como se muestra en la figura:

Tema 5. Diagramas de fases

67

5.7. Transformación monotéctica A veces ocurre que dos metales en estado líquido no forman una única fase líquida. En estos casos, dentro de determinados límites de composición puede tener lugar la formación de dos líquidos inmiscibles entre sí y cuya composición depende de la temperatura, teniendo lugar su solubilidad completa, si es que se produce, por encima de una cierta temperatura crítica. Cuando una fase líquida al enfriar a temperatura constante forma otra fase líquida distinta más una fase sólida, se habla de transformación monotéctica.

En estos diagramas, la morfología de las microestructuras a temperatura ambiente, está condicionada a la última transformación producida. Un tipo general de diagrama de fases que corresponde a este comportamiento es que se muestra en la figura siguiente: • Evolución microestructural de la aleación a: Es una aleación hipomonoeutéctica y su evolución se muestra en la siguiente imagen:

• Evolución microestructural de la aleación b: Corresponde a la composición monotéctica y su evolución microestructural es la siguiente:

Tema 5. Diagramas de fases

68

• Evolución microestructural de la aleación c: Es una aleación hipermonotéctica y su evolución es la siguiente:

Un ejemplo real de diagrama de fases es el del sistema a Cu-Pb, que tiene una transformación monotéctica a 955ºC y una transformación eutéctica límite a 326ºC:

Tema 5. Diagramas de fases

69

EJERCICIOS DEL TEMA 5 Cuestiones teóricas 1- Los aceros son aleaciones de Fe y C. Defina para este material los conceptos de sistema, componentes y fases. 2- ¿Qué diferencias existen entre fases y constituyentes? 3- ¿Qué se entiende por segregación dendrítica y cómo puede eliminarse? 4- ¿Qué composición debería tener una aleación Ag-Cu para que en estado sólido su morfología presente un solo constituyente?

5- Escoja las composiciones más adecuadas de las aleaciones Cu-Ni con el fin de que presenten una alta resistencia mecánica y baja conductividad eléctrica.

6- ¿Qué diferencias existen entre las transformaciones cuya denominación presentan la terminación “oide” y las que terminan en “ico”? Tema 5. Diagramas de fases

70

Ejercicios prácticos 1- Una aleación de cobre-níquel contiene 47 % en peso de Cu y 53 % en peso de Ni y está a 1300 ºC. a- ¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre en las fases sólida y líquida a esta temperatura? b- ¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida y qué porcentaje es sólida?

2- Realice un análisis de fases de la solidificación (ideal) en el equilibrio de las aleaciones estaño-plomo en los siguientes puntos: a) En la composición eutéctica justo debajo de 183 ºC. b) En el punto c a 40 % de Sn y 230 ºC. c) En el punto d a 40 % de Sn y 183 ºC + ΔT. d) En el punto e a 40 % de Sn y 183 ºC – ΔT.

Tema 5. Diagramas de fases

71

3- Un kilogramo de una aleación de 70 % de Pb y 30 % de Sn se enfría lentamente a partir de 300 ºC. Utilice el diagrama de fases del ejercicio 2 y calcule: a) El porcentaje en peso del líquido y del protoeutéctico alfa a 250 ºC. b) El porcentaje en peso del líquido y del protoeutéctico alfa justo por encima de la temperatura eutéctica (183 ºC) y el peso en kilogramos de esas fases. c) El peso en kilogramos de alfa y beta formados por la reacción eutéctica. 4- Una aleación de Pb-Sn contiene 64 % en peso de protoeutéctico α y 36 % en peso de eutéctico α + β a 183 ºC – ΔT. Calcule la composición promedio de esta aleación (véase la figura del ejercicio 2). 5- Realice los análisis de fase de los siguientes puntos en el diagrama de fase en equilibrio de la aleación Pt-Ag: a) En el punto a 42,4 % de Ag y 1400 ºC. b) En el punto a 42,4 % de Ag y 1186 ºC + ΔT. c) En el punto a 42,4 % de Ag y 1186 ºC – ΔT. d) En el punto con 60 % de AG y 1150 ºC.

6- Considere que una aleación tiene 70 % en peso de Ni y 30 % de Cu. a) Efectúe un análisis de fases a 1350 ºC suponiendo condiciones de equilibrio (fases presentes, composición química de cada una y cantidades presentes). b) Efectúe un análisis similar a 1500 ºC. Esquematice la microestructura de una aleación a cada una de las temperaturas indicadas utilizando campos microscópicos circulares. Tema 5. Diagramas de fases

72

7- Considere el diagrama de fases binario eutéctico de la figura. Efectúe el análisis de fases de una aleación de 88 % en peso de plata y 12 % en peso de cobre a las temperaturas a) 1000 ºC, b) 800 ºC, c) 780 ºC + ΔT y d) 780 ºC – ΔT. En el diagrama de fases incluya las fases actuales, la composición química de cada fase, las cantidades de cada fase y esquematice la microestructura usando campos circulares.

8- Una aleación de Pb-Sn consta de 60 % en peso de beta proeutéctico y 40 % de eutéctico a 183 ºC – ΔT. Calcule la composición promedio de esta aleación.

Tema 5. Diagramas de fases

73

9- Si 500 g de una aleación de 40 % en peso de Cu-60 %de Ag se enfría lentamente desde 1000 ºC hasta 780 ºC (véase diagrama en el ejercicio 7): a) ¿Cuántos gramos de líquido y alfa proeutéctico están presente a 850 ºC? b) ¿Cuántos gramos de líquido y alfa proeutéctico están presentes a 780 ºC + ΔT? c) ¿Cuántos gramos de alfa están presentes en la estructura eutéctica a 780 ºC – ΔT? d) ¿Cuántos gramos de beta están presentes en la estructura eutéctica a 780 ºC – ΔT? 10- Una aleación de Pb-Sn (véase diagrama de fases en el problema 8) contiene 40 % en peso de β y 60 % de α a 50 ºC. ¿Cuál es la composición media de Pb y de Sn de esa aleación? 11- Una aleación de 30 % en peso de Pb y 70 % en peso de Sn se enfría lentamente desde 250 ºC hasta 27 ºC (véase diagrama de fases en el problema 8). a) ¿Esta aleación es hipoeutéctica o hipereutéctica? b) ¿Cuál es la composición del primer sólido que se forma? c) ¿Cuáles son las cantidades y composición de cada fase a 183 ºC + ΔT? d) ¿Cuáles son las cantidades y composición de cada fase a 183 ºC – ΔT? e) ¿Cuál es la cantidad que se presenta en cada fase a temperatura ambiente? 12- Interprete el diagrama de fases del sistema Ir-Ni, definiendo las fases presentes y las curvas de equilibrio más características.

13- La observación microscópica de una aleación metálica muestra la morfología representada en la imagen adjunta. Se pide analizar la microestructura y enumerar las conclusiones acerca del tipo de aleación en cada imagen.

Tema 5. Diagramas de fases

74

14- Interprete el diagrama de fases del sistema Ag-Cu, definiendo las fases presentes, las curvas de equilibrio más características y las transformaciones isotérmicas existentes.

15- Considere el diagrama de fases titanio-níquel. Este diagrama tiene seis puntos donde coexisten tres fases. Para cada uno de estos puntos trifásicos coloque en una lista las cooidenadas de composición (en porcentaje en peso y temperatura), escriba la reacción invarante que ocurre durante el enfriamiento lento de la aleación en cada punto y nombre el tipo y la reacción invariante que tiene lugar.

Tema 5. Diagramas de fases

75

Tema 5. Diagramas de fases

76