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DIAGRAMAS DE FASE

Materiales de Ingeniería

Universidad de Atlántico

Los materiales puros, tienen muchasaplicaciones en la ingeniería, pero confrecuencia se utilizan aleaciones o mezclasde materiales. Existen dos tipos dealeaciones: aleación de una fase y aleaciónde varias fases. Como primer paso dedefinirá el concepto de aleación y laclasificación de las aleaciones y se verá laaplicación de la regla de las fases.

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Una aleación es una sustancia que tienepropiedades metálicas y está constituida por dos omás elementos químicos, de los cuales por lomenos uno es metal.Un sistema de aleación contiene todas lasaleaciones que pueden formarse por varioselementos combinados en todas las proporcionesposibles.Si el sistema se forma por dos elementos, se llamasistema de aleación binaria ; si se forma por treselementos, se denomina, sistema de aleaciónternaria; etc.El número de aleaciones posibles es casi infinito.

CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES

Las aleaciones pueden ser homogéneas oheterogéneas. En el primer caso, constarán de unasola fase, y en el segundo serán una combinación devarias fases.Cualquier estructura que sea visiblemente distinta,desde el punto de vista microscópico, puedeconsiderarse una fase. Para la mayoría de loselementos puros, el término de fase es sinónimo deEstado. Algunos metales son alotrópicos en estadosólido y tendrán diferentes fases sólidas. Cuando elmetal sufre un cambio en su estructura cristalina,experimenta un cambio de fase.

En estado sólido hay tres fases posibles:a)De metal Puro.b)De Aleación intermedia o compuesto.c)De solución sólida.

CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES

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a) De metal puro: Todos los metales, en condición deequilibrio tienen un punto de fusión y congelación definido .Condiciones de equilibrio significa procesos de temperatu rade calentamiento y enfriamiento muy lentos para que ocurranlos cambio que tienen que ocurrir.

b) De aleación intermedia o compuesto: También se le llamaCompuesto, que son combinaciones de elementos convalencia positiva y negativa. Exhiben punto de fusión defin ido.Las fases intermedias de una aleación mas comunes son:� Compuestos intersticiales . Se forman por la unión entre loselementos de transición, con el hidrógeno, el oxígeno, elcarbono, el boro y el nitrógeno.� Compuestos intermetálicos o de valencia . Formados pormetales no similares químicamente.� Compuestos electrónicos . Composición química que tieneuna razón definida de número de electrones de valencia anúmero de átomos.

c) Solución Sólida: Cualquier solución está constituida po r dospartes: un soluto y un solvente. Consta de dos clases deátomos combinados en un tipo de red espacial. Solidifica ent reun intervalo de temperatura.Hay dos tipos de soluciones sólidas:

� Solución Sólida Sustitucional: Los átomos de soluto sustituyenátomos del solvente en la estructura reticular del solvente .

� Solución Sólida Intersticial: Se forman cuando átomos depequeños radios atómicos se acomodan en los espacios ointersticios de la estructura reticular de los átomos solve ntesmás grandes.

Sólo los átomos con radios atómicos menores que un ángstromtendrán posibilidades de formar soluciones sólidasintersticiales como los átomos de H, B, C, N, O.

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Estructura de la aleación

Homogénea Mezcla

SoluciónSólida

Sustitucional Intersticial IntermetálicaIntersticial

Electrónica

Fase intermediao Compuesto

Cualquier Combinación de

fases sólidas

Metal puroSolución Sólida

Aleación intermedia

FASES Y DIAGRAMAS DE FASES DE SUSTANCIAS PURAS

FASE. Una fase tiene las siguientes características:(1) una fase tiene la misma estructura o arregloatómico en todo el material; (2) una fase tieneaproximadamente una misma composición ypropiedades; y (3) hay una interfase definida entreuna fase y cualquier otra que sea su vecina.

Def: porción homogénea de un sistema que tienecaracterísticas físicas y químicas uniformes: unmaterial puro, un sólido, un líquido o un gas seconsideran fases.

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Por ejemplo, Si se encierra unbloque de hielo en unacámara de vacío, el hieloempezará a derretirse(fundirse) y, además parte delagua se evaporizará.

En estas condiciones, seencontrarán tres fases: H 2Osólida, H 2O líquida y H 2Ogaseosa. Cada una de estasformas del agua es una fase;ya que cada una tiene unestructura atómica diferente,con propiedades únicas.

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REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

La regla de las fases describe el estado de un materialy tiene la forma general de:

F = C – P + 2donde C es el número de los componentes, por logeneral elementos o compuestos en el sistema; F esel número de grados de libertad, es decir, el númerode variables por eje. la temperatura, la presión ocomposición, que pueden modificarse de maneraindependiente, sin cambiar el número de fases; y P esnúmero de fases presente. El valor de 2 indica quetanto la T como Presión tienen la posibilidad decambiar.

Por ejemplo, considérese el caso del Magnesio puro. En lafigura aparece un diagrama de fases de un material puro en elcual las líneas dividen las fases de líquido, sólido y vapor. Eneste diagrama sólo hay un componente. Observe que a presiónatmosférica , las intersecciones con las líneas en el diagra made fases marcan las temperaturas usuales de fusión y ebullic iónpara el magnesio. A presiones bajas el sólido al ser calentad ose puede sublimar, es decir, pasar directamente a vapor sinfundirse.

Sólido

Líquido

Vapor

Temperatura (ºC)

Pre

sión

1 atm

A

B

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Se tiene una presión y una temperatura que coloca almagnesio en el punto A del diagrama de fases, dondetodo es Mg Liquido. En ese punto, C el número decomponentes es uno (el magnesio) y el número defases es una (líquido). La regla de las fases dice que:

F = C - P + 2 = 1 - 1 + 2 = 2Es decir, hay dos grados de libertad.En el punto B, donde es el límite entre las porcionessólida y líquida del diagrama. El número decomponentes C es uno, pero en el punto B coexistensólido y líquido, y el número de P es dos.De las reglas de fases,

F = C - P + 2 = 1 - 2 + 2 = 1Sólo hay un grado de libertad.

DIAGRAMA DE FASE DEL AGUA

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APLICACIONES

En el campo de cuarzo α se tiene 1 componente y 1 faseF = 2 + 1 - 1 = 2. Tiene dos grados de libertad, pueden variar dos variables intensivas (T y P), Estado de equilibrio divariante .

En la línea que divide los campos de cuarzo α y cuarzo βcoexisten esas dos fases.F = 2 + 1 - 2 = 1 Tiene un grado de libertad, sólo puede variar una de las variables intensivas (P o T) y la otra queda fijada. Estado de equilibrio univariante .

En el punto triple que une los campos de cuarzo α,cuarzo β y coesita coexisten esas tres fases.F = 2 + 1 - 3 = 0 No tiene ningún grado de libertad, P y T son fijos. Estado de equilibrio invariante .

SISTEMAS DE ALEACIONES ISOMORFAS BINARIAS

Se considerará una mezcla o aleación de dosmetales en lugar de una sustancia pura. Una mezclade dos metales se denomina una aleación binaria yconstituye un sistema de dos componentes. Porejemplo el cobre puro es un sistema de un solocomponente mientras que en una aleacióncobre/níquel es un sistema de dos componentes.También los aceros que contienen principalmentehierro y carburo de hierro son sistemas de doscomponentes.

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En algunos sistemas metálicos, los dos elementoscompletamente solubles entre si tanto en estado sólido como enestado líquido. En estos sistemas sólo existe un tipo deestructura cristalina para todas las composiciones de loscomponentes y, por tanto, se les denomina sistemas isomorfos .Un ejemplo importante de unsistema isomorfo de aleaciónbinaria es el sistema Cu-Ni.

En la figura se muestra compo-sición química (en tanto %) vs.temperatura (ºC). El diagramase ha determinado en condiciones de equilibrio oenfriamiento lento, a presiónde una atmósfera.

% Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

Diagramas de Fase

• Un diagrama de fases es un mapa detemperatura-composición.

• Indica las fases de equilibrio presentes a unatemperatura y composición dadas

• Se obtiene experimentalmente.• Se utiliza para entender y predecir la

microestructura de una aleación a unacomposición dada.

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CONSTRUCCIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASE

REGLA DE LA PALANCA

Los porcentajes en peso de las fases en lasregiones bifásicas de un diagrama de fases enequilibrio binario se calculan mediante la regla de lapalanca. Por ejemplo, usando la regla de la palanca,el tanto por ciento en peso de líquido y el tanto porciento en peso sólido para una aleación a unatemperatura determinada se calcula para unaaleación de composición media en la regiónbifásica en un diagrama Cu – Ni.Para obtener las ecuaciones de la regla de lapalanca se considera un sistema binario que soncompletamente solubles entre sí.

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Interpretación de Diagramas de fase

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% Ni

Tem

pera

tura

(ºC

)

100%100%

1250ºC

Aleación

40% Ni

60% Cu

Líquido

34% Ni

Solución sólida

47% Ni

DIAGRAMA DE FASE Cu - Ni

Ejemplo:Una aleación de Cu – Ni que contiene el 40% de Ni y el 60% de

Cu y esta a 1250ºC, utilizando la figura responda:a) ¿ cual es el tanto por ciento en peso de Cu en las fases

sólida y líquida a dicha temperatura.b) ¿ Que porcentaje en peso de aleación es líquida y que

porcentaje es sólida ?Soluciónb)

33% Ni 40% Ni 47% Ni

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TIPOS DE DIAGRAMAS DE

FASE

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1. Componentes completamente solubles en estado líquido.a) Completamente solubles en el estado sólido (Tipo I)b) Insoluble en estado sólido: la reacción eutéctica (Tipo II)c) Parcialmente solubles en el estado sólido: reacción

eutéctica (Tipo III)d) Formación de una fase intermedia de fusión congruente

(Tipo IV)e) La reacción peritéctica (Tipo V)2. Componentes parcialmente solubles en el estado líquido:

la reacción monotéctica (Tipo VI)3. Componentes insolubles en el estado líquido e insolubles

en el estado sólido (Tipo VII)4. Transformaciones en estado sólido: a) cambio alotrópico

b) orden-desorden c) la reacción eutectoide y d) reacciónperitectoide.

Tipo I. Dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido

Como los dos metales son completamente solubles en el estadosólido, el único tipo de fase sólida formada será la sólidasustitucional.

Los dos metales tendrángeneralmente el mismo tipode estructura cristalina.

Diferirán en sus radiosatómicos en menos del 8%.

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Tipo II. Dos metales completamente solubles en estado líquido y completamente

insolubles en el estado sólido

Desde el punto de vista técnico, dos metales nopueden ser completamente insolubles entre sí; sinembargo, en algunos casos, la solubilidad es tanrestringida que para propósitos prácticos podríanconsiderarse como insolubles.Se genera la reacción eutéctica:

Líquido sólido A + sólido B

Mezcla Eutéctica

E

A B

Liquido + sólido A Liquido +

Sólido B

60

Líquido

Solución A + una mezcla eutéctica

Una mezcla eutéctica + Solución A

Tem

pera

tura

TE

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Diagrama de Fase Al-Si

Tipo III. Dos metales completamente solubles en estado líquido pero sólo parcialmente

solubles en el estado sólido

Como la mayoría de los metales muestran algunasolubilidad de uno con otro en el estado sólido, estetipo es el más común y el más importante sistema dealeación.Presenta la reacción Eutéctica.Hay una relación lineal entre los constituyentes queaparecen en la microestructura y la composición de laaleación para un sistema eutéctico ....

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Tipo III. Dos metales completamente solubles en estado líquido pero sólo parcialmente solubles en el

estado sólido

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Tipo IV. La fase intermedia de fusión congruente

Cuando una fase cambia en otra isotérmicamente y sinninguna modificación en composición química, se diceque es un cambio de fase congruente o unatransformación congruente. Todos los metales purostienen una fusión congruente. Las fases intermediasse llaman así porque son única y se presentan entrelas fases terminales de un diagrama de fase. El tipo IVconsiderará la formación de una fase intermedia porfusión congruente, en tanto que el tipo V incluirá laformación de la fase intermedia incongruente ....

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Cualquier fase intermedia puede tratarse como otracomponente en un diagrama de fase. Si la faseintermedia tiene un reducido intervalo decomposición, como sucede en los compuestosintermetálicos y los compuestos intersticiales,entonces se representa en el diagrama como unalínea vertical y se indica con la fórmula química delcompuesto. Si la fase intermedia existe sobre unintervalo de composición se indica con una letragriega.

Punto de Fusión de A

Punto de Fusión de B

Punto de Fusión de AmBn

T

ComposiciónAmBn

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Tipo V. La Reacción Peritéctica

En la reacción peritéctica, un líquido y un sólido reacciona nisotérmicamente para formar un nuevo sólido al enfriarse. E ngeneral, la reacción se expresa como:

Líquido + sólido 1 nuevo sólido 2

El nuevo sólido formado suele ser una fase intermedia, peroen algunos casos puede ser una solución sólida terminal.

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Tipo VI. Dos líquidos parcialmente solubles en estado líquido: La reacción

monotéctica

En todos los tipos estudiados, se supuso que habíasolubilidad completa en el estado líquido; sinembargo, es posible que sobre cierto intervalo decomposición se formen dos soluciones líquidas nomiscibles entre si. Miscibilidad es otro términoutilizado para solubilidad. Se dice que dossustancias son insolubles entre sí, como el aceite yel agua , son inmiscibles; por otra parte, se dice quelas sustancias parcialmente solubles entre símuestran un intervalo de inmiscibilidad, lo cualconstituye el tipo VI.

Líquido 1 Líquido 2 + A sólida

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Tipo VII. Dos metales insolubles en estado líquido y sólido

Se completará el estudio de losdiagramas básicos deequilibrio o de fase queimplican estados sólidos ylíquidos.

En la figura, nótese que laregión líquida de dos fases seextiende por entero a travésdel diagrama. Esta condicióncorresponde a un caso límitede la reacción monotéctica:

Al Pb

L1+L2

α+L2

Liquido

L1 α+L2

Transformaciones en el estado sólido

a) Alotropía

b) Transformación de orden - desorden

c) La reacción eutectoide

d) La reacción peritectoide

Sólido 1 sólido 2 + sólido 3

Sólido 1 + Sólido 2 Sólido 3

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La Reacción Eutectoide

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Resumen

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terciario

terciario

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Ejercicio

Llenar las fases presentes en el diagrama

Solución

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BIBLIOGRAFIA

SMITH, William. Fundamentos de la Ciencia eIngeniería de los Materiales. McGraw Hill, 1998.ASKELAND, Donald. Ciencia e Ingeniería de losMateriales. Internacional Thomson, México, 1998.CALLISTER, William. Introducción a la ciencia eingeniería de los materiales. Reverte, España, 2003.SHACKELFORD, James. Introducción a la Cienciade los Materiales para ingenieros. Prentice Hall,Madrid. 1998.