La naturaleza de las propiedades de los materiales de ingeniería son sensibles a la micro estructura, debemos primero explotar las formas en las que se desarrolla

ésta y una herramienta importante para esta exploración es el diagrama de fases que es un “Mapa” que nos guía en la búsqueda de la respuesta a la pregunta ¿Qué

microestructura debe existir a una temperatura dada para un material de composición dada?. A esta pregunta corresponde una respuesta específica que se

basa en la naturaleza del equilibrio del material.

CONCEPTO: Una aleación es una sustancia que tiene propiedades

metálicas y está constituida por dos o más elementos químicos, de los

cuales por lo menos uno es un metal.

Las aleaciones pueden clasificarse de acuerdo a su estructura o composición química, y los

sistemas de aleación completos según el tipo de diagrama de fase o número de elementos

que presenta

ALEACIONES

NÚMERO DE ELEMENTOS

COMPOSICIÓN QUÍMICA

TERNARIAS

BINARIAS

HETEROGÉNEAS

HOMOGÉNEAS

HOMOGÉNEAS

• Los componentes están uniformemente dispersos.

• Consta de una sola fase o estado.• Solo puede ser solución ácida o compuesta

HETEROGÉNEAS O MEZCLAS

• Los componentes no están uniformemente dispersos.

• Consta de varias fases• Compuesta por dos metales puros, o dos

soluciones sólidas, o dos compuestos, o un metal puro y una solución sólida.

ALEACIONES BINARIAS

Están constituidas por tres elementos Combinación de tres metales: 14000

combinaciones

Están constituidas por dos elementos Combinación de dos metales; 990

sistemas binarios solo tomando 45 elementos.

ALEACIONES TERNARIAS

Una fase es cualquier sustancia homogénea y físicamente distinta.

Cualquier estructura que sea visiblemente distinta, desde el punto de vista físico al microscopio puede considerarse como

una fase. Para la mayoría de los elementos puros, el término fase es sinónimo de estado por tanto, para los elementos puros hay una

fase gaseosa, líquida y sólida.

• Si una aleación es homogénea en el estado sólido, sólo puede ser solución sólida o

compuesta• Si la aleación es una mezcla, entonces está

compuesta de dos metales puros, o dos soluciones sólidas, o dos compuestos, o un metal

puro y una solución sólida, etc. La mezcla también puede variar en el grado de finura

Ejemplos:• Agua y hielo: Estas dos fases pueden coexistir, y aunque tienen una misma composición, el hielo es un sólido cristalino con red hexagonal, mientras que el agua es líquida.• Plástico reforzado con fibra de vidrio• Hormigón reforzado con fibras (de acero, polipropileno, u otras).Las dos fases de un material dado presentan diferencias bien claras tanto en composición como en estructura

EN EL ESTADO SÓLIDO HAY TRES FASES POSIBLES:

FASES EN EL ESTADO SÓLIDO

DE SOLUCIÓN SÓLIDA

DE ALEACIÓN INTERMEDIA O COMPUESTA

DE METAL PURO

En condiciones de equilibrio, todos los metales exhiben un punto definido de cristalización.

Implica condiciones de calentamiento y enfriamiento extremadamente lentas. En otras palabras, si tiene que ocurrir cualquier cambio, debe proporcionar un tiempo suficiente que

tenga lugar. No se recomienda altas velocidades de enfriamiento por ser

perjudiciales con las propiedades mecánicas. Si la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida el tamaño de

grano es fino, no tenaz, frágil, menor resistencia mecánica. Si para un metal puro se grafica una curva de enfriamiento ésta

mostrará una línea horizontal en el punto de fusión o congelamiento.

Cuando se forman compuestos, los elementos pierden en gran medida su identidad individual y sus propiedades características. El compuesto tendrá sus propias propiedades físicas, mecánicas y químicas características de el.Las fases intermedias de una aleación son aquellas con composiciones químicasintermedias entre los dos metales puros y generalmente tienen estructuras cristalinas diferentes de las de estos. Ejemplo: (NaCl) sal común de mesa.

FASES INTERMEDIAS DE UNA ALEACIÓN MÁS COMUNES COMPUESTOS INTERMEDIOS O DE VALENCIA.- Estos generalmente se forman por metales no

similares químicamente y se combinan siguiendo las reglas de valencia.

Pueden tener

estructura cristalina compleja

Pobre conductividad

eléctrica

Deficiente ductilidad

Propiedades no

metálicas

COMPUESTOS INTERSTICIALES:

Estos compuestos se forman por la unión entre los elementos de transición, como el escandio, el titanio, el tantalio, tungsteno y hierro, con elhidrogeno, oxigeno, carbono, bromo y nitrógeno. La palabra intersticial significa“entre los espacios”.

Ejemplo: Carbono añadido al hierro, para la fabricación de aceros.

SOLUTO

SOLVENTE

• Es la menor parte de la solución o sea el material disuelto

• Constituye la mayor parte de la solución

Es posible tener soluciones que incluyan gases, líquidos o sólidos, ya sea como el soluto o como el solvente.

Las soluciones más comunes tienen al agua como solvente. La cantidad de soluto que el solvente puede disolver es generalmente

función de la temperatura y suele aumentar con el incremento de la temperatura.

CONDICIONES DE LAS SOLUCIONES:

NO SATURADAS

SOBRESATURADAS

SATURADAS

Igual cantidad de soluto y de solvente

Mayor cantidad de solvente que de soluto

Mayor cantidad de soluto que de solvente

Si el solvente disuelve menos del soluto de la que podría disolver a una temperatura y

presión dadasSi disuelve la cantidad límite de soluto, la

solución está saturada.

Si disuelve más soluto de lo que debería, en condiciones de equilibrio, la solución está sobresaturada. Esta última condición puede obtenerse

efectuando un trabajo sobre la solución (como movimientos de agitación). La condición de sobresaturación es inestable. La solución se satura o estabiliza mediante el rechazo o precipitación del exceso de soluto.

En este tipo de solución, los átomos del soluto sustituyen átomos del solvente en la estructura

reticular del solvente.Por ejemplo los átomos de plata pueden sustituir a los del oro sin que se pierda la estructura f.c.c del oro, y viceversa. Todas la aleaciones en el sistema

plata-oro constan de una red f.c.c.

Estas se forman cuando átomos de pequeños radios atómicos se acomodan en los espacios o intersticios de la estructura reticular de los átomos solventes más grandes.

Como los espacios de la estructura reticular están restringidos en tamaño, sólo los átomos con radios menores a un angstrom podrán formar soluciones sólidas

intersticiales. Suelen tener una solubilidad muy limitada y generalmente son de poca importancia a

excepción del carbono en hierro ya que forma la base para el endurecimiento del acero.

INDUSTRIA

CIENCIA

SALUD

Crea herramientas resistentes capaces de resistir el desgaste de los trabajos mecánicos.

Tornos o fresadoras.

Para el uso de las carcazas en naves espaciales.

Se utiliza en diferentes tipos de prótesis, la aleación empleada es el titanio.

TECONOLOGÍA

HOGAR

MEDIOS DE TRANSPORTE

En componentes de computadoras

En ollas, sartenes, etc. Los más empleados son los aceros inoxidables.

Para crear piezas resistentes al calor y materiales resistentes y ligeros.

Pistones de los vehículos

En la actualidad, la mayoría de los pistones se construyen con una aleación de aluminio con otro material, como puede ser el magnesio o el silicio.

• Es una representación gráfica de una determinada aleación binaria que se encuentra graficada bajo parámetros técnicos de temperatura, composición química y presión atmosférica; de las cuáles la temperatura y la composición química son variables y la presión atmosférica es constante.

• Es el comportamiento de una determinada aleación graficada bajo diferentes condiciones de temperatura y composición química.

Son de suma importancia porque existe una estrecha relación entre microestructura y propiedades mecánicas y porque el desarrollo de la microestructura está relacionado con las características de su diagrama de fase.

En la práctica, los diagramas de fases que son ampliamente usados por los ingenieros, son los diagramas binarios, que representan sistemas de dos componentes. Y los diagramas ternarios que representan sistemas de tres componentes.

Son de gran utilidad para los ingenieros, es por ello que son los más ocupados.

Tiene solo dos componentes. En ellos la presión se mantiene constante, generalmente a 1 atm.

Los parámetros variables son la temperatura y la composición.

PUNTOS DE ESTADO:

• Son puntos en los cuales se encuentra una determinada aleación graficada bajo parámetros técnicos de temperatura y composición química dentro de un diagrama de fase.

• El punto de estado se determina en la intersección de dos rectas.

EXISTEN DOS FORMAS PARA DETERMINAR LOS PUNTOS DE ESTADO:1) Se puede imponer un punto en cualquier parte del diagrama, en el cual se necesita

calcular composición química y temperatura.2) Cuando se proporciona la composición química de la aleación y la temperatura, con

ellos se procede a graficar el punto de estado.

Como las propiedades de un material dependen ampliamente del :

o Tipoo Númeroo Cantidado Forma de las fases presentes

ES ESENCIAL CONOCER:

a) Las condiciones bajo las cuales existen fases.b) Las condiciones bajo las cuales ocurrirá un cambio

en la fase.

1. COMPONENTES COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO

Completamente solubles en estados sólidos. (TIPO I) Insolubles en estado sólido: la reacción eutéctica. (TIPO II) Parcialmente solubles en estado sólido: la reacción eutéctica (TIPO III) Formación de una fase intermedia de fusión congruente (TIPO IV)

2. COMPONENTES PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO

La reacción monotéctica (TIPO IV)

4. TRANSFORMACIÓN EN ESTADO SÓLIDO

3. COMPONENTES INSOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y SÓLIDO (TIPO VII)

Cambio alotrópico Orden- Desorden La reacción eutectoide La reacción peritectoide

1) Identificar el diagrama.2) Determinar el tipo de aleación.3) Determinar composición química.4) Determinar temperatura.5) Determinar fases ya sean monofásicas o bifásicas.6) Líneas de frontera y líneas de escala.7) Graficar o imponerse puntos de estado.8) En zonas bifásicas se puede aplicar la regla de la palanca, para calcular el porcentaje en

cada una de las fases.9) Graficar una aleación.10) En una determinada aleación encontrar varios puntos de estado.11) Determinar puntos de fusión.12) Determinar el comportamiento de una aleación ya sea en fusión o solidificación.13) Determinar escalas.

Por lo general, los diagramas de fase se grafican con la temperatura (en grados centígrados o Fahrenheit), como la ordenada y la composición de la aleación (como porcentaje en peso), como la abscisa.

Fórmulas:Porcentaje atómico de Porcentaje atómico de

Donde:M= Peso atómico del metal A.N= Peso atómico del metal B.X= Porcentaje en peso del metal A.Y= Porcentaje en peso del metal B.

Los datos para construir diagramas de equilibrio se

determinan experimentalmente por diversos métodos, entre los

cuales los más comunes son:

Con mucho, éste es el método experimental que más se emplea. Cuando se hace un diagrama de temperatura contra tiempo, a

composición constante, la curva de enfriamiento resultante mostrará un cambio en pendiente cuando ocurre un cambio de fase a causa

de la evolución de calor por el cambio de fase.

Estos consisten en calentar muestras de una aleación a diferentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca, y entonces se enfrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura. Entonces las muestras se analizan al microscopio.

Como este método mide las dimensiones de la red, indicará la aparición de una nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por la

aparición de una nueva estructura cristalina. Este método es sencillo, preciso y muy útil para determinar los cambios en la solubilidad sólida en la relación

con la temperatura.

Especificar la temperatura y la composición de una aleación en un área de dos fases indica que la aleación consta de una

mezcla de dos fases, pero no da ninguna información referente a esta mezcla. Algunas veces es deseable conocer la

composición química real y las cantidades de las dos fases presentes. Para determinar esta información, es necesario

aplicar dos reglas:

REGLA I. Composición Química de las Fases

REGLA 2. Cantidades relativas de cada fase.

REGLA I. Composición Química de las Fases

Para determinar la composición química real de las fases de una aleación, en equilibrio a cualquier temperatura específica en una región bifásica, se

debe trazar una línea horizontal para la temperatura, llamada línea de vínculo, a las fronteras del campo. Estos puntos de intersección se abaten

a la línea base y la composición se lee directamente.

REGLA 2. Cantidades relativas de cada fase.

Para determinar las cantidades relativas de las dos fases en equilibrio, a cualquier temperatura específica en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que representa la aleación y una línea horizontal (como la temperatura), a los límites del

campo. La línea vertical dividirá a la horizontal en dos partes cuyas longitudes son inversamente proporcionales a la cantidad de fases presentes. Esta también se conoce

como: REGLA DE LA PALANCA