-
REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN
SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO
SANTIAGO MARIO EXTENSIN CARACAS
TECNOLOGA DE LOS MATERIALES
TRABAJO UNIDAD IV
Diagramas de equilibrio Hierro-Carbono
Autor: Willian J, Cabrera C. C.I. V-15.343.309
Caracas, Enero del 2015
-
N D I C E G E N E R A L
pp.
INDICE GENERAL... ii
LISTA DE FIGURAS.... iv
RESUMEN.. v
INTRODUCCIN.. 1
CAPITULO
I. SISTEMAS EUTECTICOS........................ 3
Reaccin Eutctica....... 4
Composiciones Para no Eutcticas....... 6
Tipos..... 7
Aleaciones........... 7
Otros......... 8
Eutectoide......... 9
Calculo Eutctico......... 10
Diagrama Eutctico Simple.......... 10
Sistema Agua............. 12
Mezcla Frigorfica........ 12
Funcionamiento de la Mezcla Frigorfica.. 13
Explicacin Termodinmica.. .... 15
Formacin del Helado..... 17
II. SISTEMA PERITECTICO.......................... 19
Peritectica........ 21
-
Peritectoide......... 22
Diagrama Peritectico...... 23
III. FASES INTERMETALICAS.......................... 26
CONCLUSIONES.. 28
REFERENCIAS. 29
-
L I S T A D E F I G U R A S
FIGURA pp.
1 Reaccin Eutctica... 5
2 Microfotografa de la Estructura Resultante de la Transformacin
Eutctica..... 5
3 Diagrama de Equilibrio Solido Liquido .. 12
4 Diagrama de Fases del Agua .... 15
5 Diagrama con Punto Peritectico..... 23
6 Diagrama Binario con Pertectico y Curvas de Enfriamiento.. 24
7 Fase p Rodeado por N ....... 25
8 Fases Intermetalicas........ 27
-
REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO
SANTIAGO MARIO EXTENSIN CARACAS
INGENIERIA INDUSTRIAL
DIAGRAMAS HIERRO-CARBONO
Lnea de Investigacin: Tecnologa de los Materiales
Autor(a): Willian J, Cabrera C Tutor(a): Ing. Luis Medina
Mes, Ao: Enero, 2.014
RESUMEN
Se analiz la fluidez de aleaciones pertenecientes a sistemas
eutcticos, en un rango de composiciones variable alrededor de la composicin eutctica, en trminos de las microestructuras de solidificacin. La fluidez se tom como la distancia recorrida por el metal lquido, en un canal de seccin transversal pequea, hasta que se detiene por solidificacin (Lf: Largo de Fluidez). De los resultados obtenidos y del anlisis de las microestructuras de solidificacin se observ que la fluidez de aleaciones de sistemas eutcticos depende del tipo de eutctico. Adems, las aleaciones que tienen eutcticos con estructura regular (del tipo no facetado-no facetado) presentan un mximo de fluidez en la composicin eutctica, mientras que las aleaciones que tiene eutcticos con estructura anmala (del tipo facetadono facetado), el mximo de fluidez est corrido hacia el lado de la fase facetada la cual presenta la entropa de fusin ms alta en el diagrama de fases. De igual manera se ver el modelo de diagrama eutctico simple, como tambin lo sistemas peritecticos y las fases intermetalicas, lo cual nos dar una visin muy amplia sobre el tema y sus distintas aplicaciones.
Descriptores: Diagramas, Tipos, Caractersticas, Modelos.
-
1
INTRODUCCION
El objetivo principal de este trabajo es desarrollar dar a conocer sobre los
sistemas Eutcticos, y Peritecio, en la que podemos sealar que la ciencia de
los materiales surgi despus de la Segunda Guerra Mundial, como respuesta a
la necesidad de producir materiales con propiedades especializadas. Los
primeros intentos de modificar cientficamente las propiedades de la materia se
remontan a principios del siglo pasado, cuando los conocimientos de
cristalografa, estado slido y fsica atmica convirtieron el arte de la metalurgia
en ciencia. De all parte la creacin de nuevas aleaciones, como el acero, que
es el resultado de la aleacin de hierro y carbono en diferentes proporciones. La
definicin en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los
cuales este no metal es el nico aleante, o hay otros pero en menores
concentraciones. Es utilizado, por ejemplo, en construccin, cascos de barcos,
maquinaria, carrocera de automviles, equipos qumicos, etc.
Los diagramas de equilibrio son grficas que representan las fases y
estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que
forma una aleacin a distintas temperaturas.
La mayora de los diagramas de fase han sido construidos segn
condiciones de equilibrio, siendo utilizadas por ingenieros y cientficos para
entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales;
debido a que aportan valiosa informacin sobre la fusin, el moldeo, la
cristalizacin y otros fenmenos.
El acero se calienta a una temperatura determinada, se mantiene a esa
temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forma la estructura deseada
-
2
y entones se enfra a una velocidad conveniente, dependiendo del tratamiento
trmico que le sea aplicado, adquiriendo as, gran flexibilidad y dureza.
-
3
CAPITULO I
SISTEMAS EUTECTICOS
Eutctico es una mezcla de dos componentes con punto de
fusin (solidificacin) o punto de vaporizacin (licuefaccin) mnimo, inferior al
correspondiente a cada uno de los compuestos en estado puro. Esto ocurre
en mezclas que poseen alta estabilidad en estado lquido, cuyos componentes
son insolubles en estado slido.
En mezclas que presentan solubilidad total en estado slido, la
temperatura de solidificacin de la mezcla estar comprendida entre las
correspondientes a cada uno de los componentes en estado puro. De manera
que al aumentar la concentracin del componente de temperatura de
solidificacin ms baja, disminuir la temperatura de solidificacin de la
mezcla. Dados un disolvente y un soluto insolubles en estado slido, existe
para ellos una composicin llamada mezcla eutctica en la que, a presin
constante, la adicin de soluto ya no logra disminuir ms el punto de fusin.
Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelacin (en caso de lquidos,
licuefaccin) ms baja posible y ambos se solidifiquen a
esa temperatura (temperatura eutctica).
En procesos a presin constante, el cambio de estado en el caso de un
eutctico, a diferencia de las mezclas, tiene lugar a temperatura constante,
como en el caso de componentes puros.
La solidificacin comienza formndose un primer ncleo del
componente A, y a continuacin otro ncleo de metal B. Este proceso se repite
continuamente, de manera que las dos fases A y B se disponen en forma de
http://es.wikipedia.org/wiki/Mezclahttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_fusi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_fusi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Solidificaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_vaporizaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Disolventehttp://es.wikipedia.org/wiki/Solutohttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura -
4
lminas entremezcladas. No forman una estructura uniforme como sera el
caso de sustancias con solubilidad total en estado slido.
Se entiende por eutctica (del griego: de buena fusin; F. Gauthrie,
1884) a la mezcla de slidos ntimamente conectados, que posee un punto de
fusin ms bajo que el que poseen los compuestos individualmente. Por
ejemplo: sea el slido A impurificado con B, los puntos de fusin respectivos
son PfA y PfB y PfA
-
5
Figura 1. Reaccin eutctica.
Asimismo, podemos observar que la microestructura que proviene de
la reaccin eutctica es muy caracterstica. Consiste en una estructura
laminada en la que los dos componentes de la aleacin A puro y B puro, se
disponen en capas alternadas.
En este tipo de reaccin incluso durante el enfriamiento lento de la
muestra con composicin eutctica a la temperatura eutctica, el sistema
debe transformarse desde el estado lquido al estado slido con relativa
rapidez. La limitacin existente en el tiempo disponible para la
transformacin evita una difusin significativa. La segregacin de los tomos
de A y B (que se encontraban mezclados de forma aleatoria en el estado
lquido) en fases slidas distintas debe llevarse a cabo, por consiguiente, a
corta escala. Aparecern en general distintas morfologas para los distintos
sistemas eutcticos, pero siempre que sean estables, por lo general, tendrn
tamao de grano fino.
Figura 2. Microfotografa de la estructura resultante de la transformacin eutctica.
-
6
Una Reaccin eutectoide es un proceso metalrgico que ocurre en
las aleaciones binarias con cierta concentracin de los aleantes.
La aleacin con composicin eutctica en estado slido, al ser enfriada
lentamente, llega a una temperatura de solidificacin denominada temperatura
eutctica, en donde ocurre la reaccin: solido1solucin slida alfa + solucin
slida beta, llamada reaccin eutctoide. Es una reaccin invariante, ya que
tiene lugar bajo condiciones de equilibrio a temperatura especfica y a
composicin de la aleacin invariable (de acuerdo con la regla de
Gibbs, ). Durante la reaccin eutctica coexisten tres fases y estn en
equilibrio, por lo que se presenta una estabilizacin trmica horizontal en la
temperatura eutctica en la curva de enfriamiento de la aleacin de
composicin eutctica.
Todas las fases resultantes en este proceso son slidas: durante el
enfriamiento, las fases cambian su concentracin de soluto por difusin en
estado slido, sin embargo, ya que la difusin es lenta a bajas temperaturas,
nunca se alcanza el equilibrio normal y esto se materializa en la diferente
estructura que adoptan los tomos, agrupndose en zonas en las cuales los
aleantes estn claramente diferenciados, como por franjas, por varillas,
globular o acicularmente.
Composiciones Para no Eutcticas
Las composiciones de los sistemas eutcticos que no son la
composicin eutctica se definen comnmente para ser hipoeutctica
hipereutctica. Hipoeutctica composiciones son composiciones a la izquierda
de la composicin eutctica y composiciones hypereutectic son composiciones
a la derecha. Como se baja la temperatura de una composicin no eutctica
la mezcla lquida se precipitar uno de los componentes de la mezcla antes
que el otro.
http://es.wikipedia.org/wiki/Metalurgiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Regla_de_Gibbshttp://es.wikipedia.org/wiki/Regla_de_Gibbshttp://es.wikipedia.org/wiki/Fase_(qu%C3%ADmica)http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo -
7
Tipos
Aleaciones
Aleaciones eutcticas tienen dos o ms materiales y tener una
composicin eutctica. Cuando una aleacin eutctica no se solidifica, sus
componentes se solidifican a diferentes temperaturas, que exhibe un intervalo
de fusin de plstico. Una aleacin eutctica solidifica a una nica temperatura
fuerte. A la inversa, cuando una, aleacin eutctica bien mezclado se funde lo
hace a una sola temperatura. Las diversas transformaciones de fase que se
producen durante la solidificacin de una composicin de aleacin particular,
pueden ser entendidos trazando una lnea vertical desde la fase lquida a la
fase slida en el diagrama de fases para que la aleacin.
Algunos usos incluyen:
Aleaciones eutcticas para equipos de soldadura, compuestos de
estao, plomo y, a veces de plata o de oro
Aleaciones de fundicin, tales como aluminio-silicio y hierro fundido
Chips de silicio estn unidos a sustratos revestidos de oro a travs de
una eutctica de silicio-oro por la aplicacin de energa ultrasnica para
el chip. Ver unin eutctica.
Soldadura fuerte, donde la difusin puede eliminar elementos de
aleacin de la articulacin, de modo que eutctico de fusin slo es
posible temprano en el proceso de soldadura
Respuesta de la temperatura, por ejemplo, De metal de madera y metal
del Campo de rociadores contra incendios
Reemplazos de mercurio no txicos, tales como galinstan
Metales vtreos experimentales, con muy alta resistencia y resistencia
a la corrosin
-
8
Aleaciones eutcticas de sodio y de potasio que son lquidos a
temperatura ambiente y se utiliza como refrigerante en los reactores
nucleares de neutrones rpidos experimentales.
Otros
Cloruro de sodio y el agua forman una mezcla eutctica. Tiene un punto
de -21,2 C y 23,3% de sal en masa eutctica. La naturaleza eutctica de la sal
y el agua se explota cuando la sal se propaga en las carreteras para ayudar a
la remocin de nieve, o mezclado con hielo para producir bajas temperaturas.
'La sal solar', 60% y 40% NaNO3 KNO3, forma una mezcla de sal
fundida eutctica que se utiliza para el almacenamiento de energa trmica en
plantas de energa solar concentrada. Para reducir el punto de fusin eutctico
en el sales fundidas nitrato de calcio solar se utiliza en esta proporcin: 42%
de Ca2, 43% y 15% de KNO3 NaNO3.
Lidocana y la prilocana, ambos slidos a temperatura ambiente,
forman un eutctico que es un aceite con un punto de fusin 16 C, que se
utiliza en la mezcla eutctica de anestsicos locales preparaciones.
El mentol y el alcanfor, ambos slidos a temperatura ambiente, forman
un eutctico que es un lquido a temperatura ambiente en proprotions 08:02,
07:03, 06:04 y 05:05 - Ambas sustancias son ingredientes comunes en las
preparaciones extemporneas farmacia.
Los minerales se pueden formar mezclas eutcticas en rocas gneas,
dando lugar a texturas intercrecimiento caractersticos tales como la de
granophyre.
Algunas tintas son mezclas eutcticas, permitiendo que las impresoras
de inyeccin de tinta para operar a temperaturas ms bajas.
-
9
Eutectoide
Cuando la solucin por encima del punto de transformacin es slido,
en vez de lquido, puede producirse una transformacin eutectoide anloga.
Por ejemplo, en el sistema hierro-carbono, la fase de austenita puede
someterse a una transformacin eutectoide para producir ferrita y cementita, a
menudo en estructuras laminares, tales como perlita y bainita. Este punto
eutectoide se produce a 727 C y alrededor de 0,76% de carbono.
Eutectoide es un proceso metalrgico que ocurre en las aleaciones
binarias con cierta concentracin de los aleantes. La aleacin con composicin
eutctica en estado slido, al ser enfriada lentamente, llega a una temperatura
de solidificacin denominada temperatura eutctica, en donde ocurre la
reaccin: solido1solucin slida alfa + solucin slida beta, llamada reaccin
eutctoide. Es una reaccin invariante, ya que tiene lugar bajo condiciones de
equilibrio a temperatura especfica y a composicin de la aleacin invariable
(de acuerdo con la regla de Gibbs, F=0). Durante la reaccin eutctica
coexisten tres fases y estn en equilibrio, por lo que se presenta una
estabilizacin trmica horizontal en la temperatura eutctica en la curva de
enfriamiento de la aleacin de composicin eutctica.
Todas las fases resultantes en este proceso son slidas: durante el
enfriamiento, las fases cambian su concentracin de soluto por difusin en
estado slido, sin embargo, ya que la difusin es lenta a bajas temperaturas,
nunca se alcanza el equilibrio normal y esto se materializa en la diferente
estructura que adoptan los tomos, agrupndose en zonas en las cuales los
aleantes estn claramente diferenciados, como por franjas, por varillas,
globular o acicularmente.
-
10
Clculo Eutctico
La composicin y la temperatura de un eutctico se pueden calcular a
partir de la entalpa y la entropa de fusin de cada uno de los componentes.
Diagrama Eutctico Simple
Los primeros investigadores en aplicar estas tcnicas fueron Sekiguchi
y Obi quienes obtuvieron mezclas eutcticas y soluciones slidas por fusin
de frmacos de baja solubilidad con substancias fisiolgicamente inertes,
rpidamente solubles en agua, como la urea y el cido succnico. El frmaco
y el vector soluble se mezclan y se calientan hasta fusin; el lquido
homogneo se enfra y, una vez al estado slido, la masa se reduce a polvo y
se tamiza a travs de un tamz de malla apropiada. Cuando este tipo de
sistema se introduce en agua, la substancia soluble se disuelve rpidamente
y el medicamento poco soluble se libera en un estado de divisin muy fino lo
que contribuye a aumentar su solubilidad y su velocidad de disolucin.
Considerando los aspectos tericos del procedimiento, los podemos
resumir diciendo que cuando dos substancias se funden conjuntamente, los
lquidos resultantes pueden ser:
No miscibles
parcialmente miscibles
Completamente miscibles
Los diagramas de fases de los sistemas pueden damos informacin til
acerca de estos fenmenos. En el caso de substancias no miscibles, el
diagrama de fases es muy simple, siempre que no se formen compuestos
intermedios. En el caso de la figura 1.3, que representa el caso de una mezcla
-
11
de A y B en diferentes proporciones, el componente B se separa cuando la
mezcla tiene una composicin de 0% a 40% de A. Inversamente, si la mezcla
est constituda por 0% a 60% de B, se observar solamente la separacin del
producto A.
El punto de congelamiento inicial para toda composicin cae sobre la
lnea que marca el lmite del rea lquida. A una composicin lquida
determinada y a una temperatura correspondiente a un punto en esta lnea,
puede existir un equilibrio entre dos fases y el lquido debe tener la
composicin indicada a cada temperatura cuando est en equilibrio con la fase
slida.
Cuando el sistema se encuentra a una temperatura dada o a una
composicin que est comprendida en las regiones marcadas "lquido + slido"
(A+ lquido o B + lquido), ste est formado por dos fases en equilibrio. Por
ejemplo, en el diagrama de fases de la figura 3, a una temperatura t
corresponde una mezcla de B puro y de un lquido que contiene 40% de A 60%
de B.
El punto de interseccin, E, de las dos curvas que separan la zona
lquida y la zona donde el lquido se encuentra en equilibrio con el slido, se
llama "punto eutctico" (del griego: "fusin fcil") y es la temperatura ms baja
a la cual puede existir la fase lquida. A este punto corresponde una
temperatura y una composicin determinada que, para la mezcla del diagrama
de la figura 1.3, corresponde a 40% de A y 60% de B. Un lquido de esta
composicin, al enfriamiento forma dos fases slidas separadas, A y B puras.
Cuando una mezcla fundida posee un diagrama de fases como ste, la ltima
gota de lquido contiene siempre la composicin eutctica y es solamente en
el punto eutctico que los dos slidos se separan. El enfriamiento de las
mezclas para cualquier otra composicin no dar lugar a la separacin de una
sola fase slida.
-
12
Figura 3. Diagrama de equilibrio solido liquido en una mezcla binaria de slidos.
El diagrama de fases representado en la figura 3, es un diagrama
idealizado ya que siempre existe una cierta solubilidad de una substancia en
la otra. En estos sistemas, cuando la solubilidad de una substancia en la otra
al estado slido es significativa, se dice que existe una solucin slida. En la
prctica se considera que existe una solucin slida cuando la solubilidad de
una substancia en la otra al estado slido sobrepasa el 5%, concepto que ha
sido discutido posteriormente por otros autores.
Sistema Agua - NaCl
La mezcla frigorfica (o criognica): El papel de la sal
La mezcla frigorfica, como se ha dicho, est formada por hielo y sal
gruesa. Vamos a tratar de explicar cmo acta de dos formas diferentes. La
primera, centrndonos en el mecanismo de interaccin entre las molculas e
iones presentes en el sistema, un modo bastante intuitivo y no por ello menos
-
13
riguroso (Walker, 1984). La segunda explicacin que vamos a dar, ms
rigurosa, est basada en la termodinmica.
El funcionamiento de la mezcla Frigorfica
Supongamos que se parte de agua pura que se enfra, no importa ahora
por qu mecanismo. El enfriar significa extraer energa de lquido,
concretamente, energa cintica de sus molculas. Cuando se alcanza los 0
C, a 1 atm, empiezan a producirse cristales de hielo. Si se continua
extrayendo calor las molculas de agua que se van ralentizando chocan con
el hielo y se incorporan al cristal (no se olvide que la temperatura representa
una medida promedio de la energa cintica molecular). Sin embargo, en estas
condiciones, algunas de las molculas del cristal de hielo se liberan y vuelven
al lquido.
Existe pues un estado de equilibrio y la temperatura permanece
constante. En algunos casos, por ejemplo si se enfra muy lentamente, es
posible bajar del punto de congelacin sin que se forme hielo, es el subenfriado
(se trata de un estado metaestable), existe un equilibrio entre slido y liquido.
Cuando prcticamente toda el agua se ha solidificado contina el descenso de
la temperatura, pero ahora el calor especfico ha cambiado de valor, ha
pasado, aproximadamente, de 1 cal/C g (el del agua) a 0,5 cal/C g (el del
hielo).
Si en el seno del lquido hay una sal soluble, por ejemplo cloruro de
sodio, que es el componente mayoritario de la sal comn, parte de sta se
disuelve en el lquido que rodea el hielo formando una disolucin saturada que
ya no est en equilibrio con el hielo debido a su menor presin de vapor
(debido a que algunas molculas de agua estn atradas por los iones que
provienen de la sal). Para alcanzar el equilibrio la disolucin tiende a diluirse y
-
14
el hielo a enfriarse, lo que se logra por fusin parcial de hielo que extrae el
calor necesario enfriando el sistema, sobre todo debido al calor latente de
fusin (y tambin en mucho menor grado, al de disolucin), como el sistema
esta abierto en contacto por una parte con la masa a helar y por otra parte con
el medio, se produce una extraccin de calor de ambos. Como las paredes de
la heladera son malas conductoras del calor, la mayor parte se extrae de la
mezcla a helar, a travs de las paredes metlicas del recipiente.
Evidentemente, como la sal est en exceso, continua disolvindose en
el agua de fusin con lo que el proceso no se estabiliza hasta que se alcanza
el equilibrio entre la disolucin saturada, el hielo, y la sustancia soluble en
exceso.
El papel de la sal puede explicarse del siguiente modo. En ausencia de
la sal hay un equilibrio entre las molculas de agua lquida y las el hielo, de
modo que ambas velocidades, de congelacin y fusin se igualan. La
presencia de iones Na+ y Cl- hace que algunas molculas de agua, debido a
su carcter dipolar se unan a ellos formando una agregado. Se dice entonces
que los iones estn solvatados. Estos racimos tambin chocan con el hielo,
pero no se quedan en l, en suma, la velocidad de congelacin es menor y el
equilibrio se destruye. En consecuencia, debido a que la velocidad de fusin
no cambia, el hielo en trminos netos funde, lo que trae como consecuencia,
por una parte un descenso de la temperatura, por otro una disminucin de la
concentracin de la disolucin. Si se agota el soluto libre se alcanzar un
nuevo equilibrio pero a una temperatura inferior a cero, si no la temperatura
seguir descendiendo hasta el punto eutctico.
En cualquier caso, el sistema no est aislado y habr un paso de calor,
principalmente del helado, en consecuencia el hielo continuar fundiendo para
compensar el efecto.
-
15
La explicacin Termodinmica
Para empezar conviene un pequeo repaso sobre el equilibrio entre
fases. Es de utilidad el uso de un diagrama de fases de la mezcla, que como
es sabido es una representacin de alguna variable termodinmica,
normalmente la temperatura, frente a la concentracin. El sistema agua
cloruro sdico forma un sistema eutctico descrito en el diagrama de la figura
Figura 4. Diagrama de fases del agua NaCL a 1 atm de presin.
El diagrama de fases de las sustancias como la sal y el agua presenta
cinco zonas diferenciadas, (Daz Pea 1976; Zemansky, 1979), separadas por
sendas curvas. La superior AEC, es la llamada liquidus corresponde al
equilibrio entre la disolucin y una de las dos fases slidas. La recta horizontal
tangente a la anterior por el punto de no derivabilidad se suele llamar solidus.
Supngase un disolucin a una concentracin determinada. La curva
EC corresponde al equilibrio entre las fases descritas en la grfica. En la zona
superior aparece otra regin, que no es relevante para la explicacin que se
va a dar, est muy por fuera de la zona de trabajo pero que tiene inters por
estar relacionado con la reaccin qumica Zemansky (1979).
-
16
Recordando la regla de las fases, deducida por Gibbs en 1875, segn
la cual:
Donde F es el nmero de grados de libertad, c el nmero de
componentes y el nmero de fases
En la regin por encima de la curva AEC hay dos fases, disolucin y
vapor, por tanto el sistema tiene dos grados de libertad y en consecuencia
puede existir equilibrio a cualquier temperatura y composicin.
En la curva AE coexisten dos componentes, sal y agua, y tres fases,
vapor de agua, disolucin y hielo, con lo cual el nmero de grados de libertad
es 1 en consecuencia para cada temperatura solo es posible el equilibrio a una
composicin dada, precisamente los pares temperatura composicin de
equilibrio representados por la curva AE. Lo mismo cabe decir de la lnea EC.
Si esta disolucin se enfra, dependiendo de la concentracin llegar a
la rama AE o EC de la curva de equilibrio. Si llega a la primera, empezar a
separar cristales de hielo, mientras que si corta la rama EC, lo que separar
sern cristales de sal. Justo en el punto E separar cristales de hielo y sal, es
el eutctico (del griego que funde fcilmente).
En el caso que nos ocupa, y suponiendo el sistema aislado, ste
inicialmente no est en equilibrio y algo de hielo funde y el agua disolver algo
de sal. Esta disolucin saturada no estar en equilibrio con el hielo de modo
fundir ms hielo, y en consecuencia disminuir la temperatura de la disolucin
pero al fundir disolver ms sal con lo que el equilibrio volver a romperse, ello
hasta alcanzar el punto E.
Puesto que el sistema es abierto la situacin no ser exactamente la
descrita, sino que el sistema obtendr calor del exterior. Como el recipiente de
-
17
la mezcla es metlico, y la heladera se ha construido con un material mal
conductor, madera en las clsicas, un polmero bastante grueso en las
actuales, la mayor parte del calor lo obtendr de la mezcla a helar, dado,
adems que existe un gradiente de temperatura entre la mezcla frigorfica y la
crema que facilita la transmisin del calor.
A estas mezclas de hielo y sal se las llama comnmente mezclas
frigorficas o criognicas, del griego generador de fro.
La formacin del Helado
En la preparacin para helar empezarn a formarse cristales en las
paredes del recipiente, debido a su carcter buen conductor, pero las paletas
y el rascador que llevan acoplado, rascarn estos cristales y los irn
incorporando a la mezcla. No interesa pues un enfriamiento demasiado rpido,
para que los cristales no crezcan en exceso y puedan incorporase al conjunto,
juntamente con burbujas de gas que el propio batido ir incorporando, todo
ellos dar una consistencia cremosa al helado en consecuencia no debe
aadirse excesiva sal a la mezcla frigorfica.
Si por va de comparacin se prepara el helado en el congelador de la
nevera, se ver cmo se congela formando un bloque. El problema puede
minimizarse si se tiene la precaucin de batir de vez en cuando el preparado,
con objeto de evitar que los cristales crezcan en exceso y haciendo que la
mezcla a helar contenga bastante grasa (nata) y una malla protenica bastante
firme (clara de huevo batida, por ejemplo).
Existen heladeras caseras que consisten en un recipiente con un batidor
con motorcito elctrico incorporado, cuyo cable de alimentacin est diseado
para poder sacarse de congelador y enchufarse a la red. Otros incorporan un
depsito con un lquido frigorfico, que debe dejarse un tiempo suficiente en el
-
18
congelador para se congele inmediatamente se incorpora la mezcla a helar.
Ambas tienen el problema aadido de su reducido tamao. No son pues aptas
para golosos o familias numerosas.
Lo dicho se puede aplicar tambin a la crema, aunque la situacin se
complica por la presencia de gasas, lecitina etc., lo que es obvio es que se
encontrar siempre a una temperatura mayor que la mezcla frigorfica y que
contendr cristales de la mezcla soluble, y de hielo.
-
19
CAPITULO II
SISTEMA PERITCTICO
El sistema Forsterita-Anortita-Slice (Fo-An-SiO2) de la Fig. 7-2, es
combinacin del sistema eutctico binario Di-An , el sistema peritectico binario
Fo-SiO2 y el sistema eutctico binario An-SiO2, que tiene un mnimo del
liquidus con el 52% peso de An a 1368C y que en conjunto definen el sistema
ternario peritectico.
Dejando de lado la pequea proporcin de mezcla fundida a partir de
las cuales cristalizan espinelas, las mezclas de anortita (An), forsterita (Fo) y
slice (SiO2), se trata como un sistema ternario peritctico.
La presencia de anortita no afecta a la relan de reaccin entre Fo y
piroxeno (Px), excepto que la reaccin se produce en un intervalo de
temperaturas en mezclas fundidas cuyas composiciones varan a lo largo de
la curva QR a medida que ocurre la reaccin.
Un lquido de composicin a original P por enfriamiento del liquidus,
produce Fo a la largo de la curva PS, con el descenso de temperatura y
considerando al sistema isobrico a 0,1 MPa, la condicin de los tres
componentes es para: V = 3 2 + 1 = 2 y la composicin de lquido se mueve
directamente desde el vrtice Fo, por reaccin continua, hasta S en la curva
lmite entre Fo y En, con V = 3 3 + 1 = 1, este lquido sigue ahora la curva
peritectica SR de (Fo-SiO2) hasta el punto R, en la que la Fo entra en solucin
mientras se forma Px desde el fundido debido a la reaccin con el lquido
(cristalizacin por reaccin) que se expresa por:
-
20
Lquido 1 + Fo = Lquido 2 + En
En R, punto invariante, la temperatura y la composicin del lquido
permanecen constantes mientras la Fo contina disolvindose y perdura la
separacin progresiva de An y Px. La reaccin cesa cuando se agota la fase
lquida y el producto final es una mezcla cristalina de Fo, An y Px.
A partir de un lquido T, el comportamiento es similar, excepto que la Fo
y el lquido se agotan simultneamente en R, quedando slo Px y An. En el
caso de un lquido original U, el curso es similar hasta S y R. La reaccin en
R, se termina por solucin completa de la Fo, mientras queda algo de lquido,
que evoluciona a lo largo de RE, con descenso de la temperatura, mientras
cristaliza An y Px. En E aparece la cristalizacin eutctica de An-Pxtridimita.
Un lquido original S, sigue un curso distinto, puesto que el Px es ahora
la primera fase slida que se forma. El fundido vara desde S hasta V con
cristalizacin de Px y desde V hasta E con separacin de Px y An. Nuevamente
aparece en E la cristalizacin eutctica (Px-An- SiO2) que contina hasta que
se agota el lquido.
Los lquidos T, U y S son todos derivados de la mezcla fundida P
considerada originalmente. De esto se deduce que por cristalizacin
fraccionada apropiada, se separarn cristales de Fo cuando el lquido alcanza
las composiciones T, U o S, sucesivamente, que pueden dar lugar a rocas
finales diferentes, a partir de una mezcla fundida untrabsica primitiva P. Los
productos finales pueden ser: Ol-Px-An (gabro olivnico); Px-An (gabro o
norita) y Px-An-SiO2 (gabro cuarcfero), que muestran un amplio grado de
fraccionamiento. Asimismo se observa que el efecto de la cristalizacin
fraccionada sobre la diferenciacin aumenta, cuando un tercer componente
(An) se aade al sistema binario que incluye un componente (Px) de fusin
incongruente.
-
21
Volviendo a los derivados del fundido inicial P, si separa en S el olivino
formado, se puede producir otra serie de mezclas fundidas SV que
evolucionan formando Px-An.
Como es la reaccin peritctica, para la composicin original P que tiene
suficiente Fo para que no sea consumida por la reaccin con el lquido
remanente hasta el punto R en el que la An-Fo-Px y lquido producen un punto
invariante (V = 3 4 + 1 = 0). En este punto invariante la siguiente reaccin
discontinua tiene lugar:
Lquido = Fo + Px + An
Este sistema permanece a 1270C hasta que el lquido es consumido
por la reaccin y la asociacin final ser de Fo-Px-An, en las proporciones
relativas que se determinan por la regla de Lever.
Peritctica
Una reaccin en la que, al enfriarse, una fase slida y lquida
transformacin isotrmica y reversiblemente a una fase slida que tiene una
composicin diferente.
Transformaciones peritctico tambin son similares a las reacciones
eutcticas. Aqu, una fase lquida y slida de proporciones fijas reaccionar a
una temperatura fija para producir una sola fase slida. Dado que las formas
de productos slidos en la interfaz entre los dos reactivos, se puede formar
una barrera de difusin y por lo general provoca tales reacciones para
proceder mucho ms lentamente que las transformaciones eutcticas o
eutectoide. Debido a esto, cuando una composicin peritctica solidifica no
muestra la estructura laminar que se encuentra con la solidificacin eutctica.
-
22
Existe tal transformacin en el sistema hierro-carbono, como se ve
cerca de la esquina superior izquierda de la figura. Se asemeja a un eutctico
invertida, con la fase d combinar con el lquido para producir pura austenita a
1495 C y 0,17% de carbono.
Descomposicin peritctica. Hasta este punto en las transformaciones
de debate se han abordado desde el punto de vista de la refrigeracin. Ellos
tambin pueden ser discutidos tomando nota de los cambios que se producen
a algunos compuestos qumicos slidos a medida que se calientan. En lugar
de fusin, a la temperatura de descomposicin peritctica, el compuesto se
descompone en otro compuesto slido y un lquido. La proporcin de cada uno
se determina por la regla de la palanca. El vocabulario cambia ligeramente. Al
igual que el enfriamiento de agua, lo que conduce a hielo, se denomina
congelacin, el calentamiento de hielo conduce a la fusin. En el diagrama de
Al-Au fase, por ejemplo, se puede observar que slo dos de las fases de fusin
congruente, y AuAl2 Au2Al. El resto peritectically descomponga.
Peritectoide
Reaccin de tres fases, por la que dos fases slidas se transforman en
otra slida. Recristalizacin: Proceso de formacin de nuevos granos. Para
que se produzca la recristalizacin es preciso deformar previamente al
material. Existe una temperatura por encima de la cual se produce la
recristalizacin, cuyo valor depende de la deformacin previa.
-
23
Diagrama Peritectico
Mientras que en el caso del diagrama con punto eutctico ste es
inferior a la temperatura de fusin de ambos metales puros, otros diagramas
presentan un punto singular en la lnea de liquidus de temperatura inferior a la
de uno de los metales y superior a la del otro. En la siguiente figura 5, se
representa uno de estos diagramas.
Figura 5. Diagrama con punto Peritectico.
Todas las aleaciones comprendidas entre los puntos M y N sufren la
llamada reaccin peritctica:
LM + N P ; V=2+1-3=0
-
24
Siendo el punto P el peritctico del sistema, en el que la reaccin no
transcurre con exceso de:
Lm de n.
Para las aleaciones entre M y P hay exceso de lquido por lo que:
LM+ N P+LM
Mientras que las comprendidas entre P y N presentan un exceso de
solucin N
Al igual que en el caso del punto eutctico la mxima longitud de las
isotermas de las curvas de enfriamiento se da para el punto peritctico P,
aunque ahora la longitud es menor que las de las reacciones eutcticas, pues
la cantidad de lquido es menor y el calor latente del cambio de estado es muy
superior al calor de transformacin en estado slido. Nuevamente el tringulo
de Tamman define la composicin del punto peritctico, as como el de LM y
N, las curvas de enfriamiento de las aleaciones ms significativas del
diagrama se representan en la siguiente figura 6.
Figura 6. Diagrama binario con pertectico y curvas de enfriamiento. Curva de enfriamiento
lento y microestructura de enfriamiento de aleacin hiperperitectica.
-
25
Mientras que la reaccin peritctica total o la que transcurre con exceso
de lquido no inducen ninguna morfologa particular, sta si que existe para las
reacciones con exceso de solucin slida N, pues para estas aleaciones
hiperperitcticas N queda como micro constituyente disperso embebido en los
granos de N.
En cualquier caso las microestructuras obtenidas en la prctica
industrial pueden variar significativamente con respecto a las previstas por el
diagrama de equilibrio para la reaccin peritctica. Esta reaccin es muy lenta
pues precisa del contacto del lquido con un slido. Y, segn se va formando
la nueva fase slida se dificulta el avance de la reaccin, ya que la fase p,
rodeara a la N, como lo representa la siguiente figura 7.
Figura 7. Fase p rodeado por N.
Para que la reaccin prosiga ser precisa la difusin de tomos a travs
de la corona de p que, por otra parte, cada vez ser ms gruesa aumentando
la distancia de difusin. Las reacciones peritcticas por ello no suelen ser
completas y es poco probable que conduzcan a una fase nica.
-
26
CAPITULO III
FASES INTERMETALICAS
En muchos sistemas de aleacin se forman fases con propiedades
distintivas. Su composicin se caracteriza por una razn ms o menos fija de
los dos elementos.
En los compuestos intermetalicos la razn es estiqueometrica (de valor
fijo) y se puede denotar como Am y Bn. Las dos especies atmicas A y B ocupan
sitios fijos en la celda unitaria, que con frecuencia es muy grande. Los enlaces
pueden tener caractersticas predominantemente covalentes, con los
electrones compartidos entre los tomos. Aunque se retiene alguna
conductividad elctrica, estos compuestos con frecuencia son frgiles, duros y
con punto de fusin elevado. Los compuestos tambin se pueden formar entre
elementos metlicos y no metlicos. El ejemplo ms importante es el Fe3C, en
aceros.
En algunos casos la fase intermetalica puede existir sobre un rango
amplio de composicin, y entonces se hablara de una fase intermedia, la cual
a menudo tiene una estructura cristalina ordenada, en que los tomos estn
en localizaciones especficas de la red.
-
27
Figura 8. Fases intermetalicas. Muchos compuestos forman dicha fases o una fase
intermedia.
-
28
CONCLUSIONES
En este trabajo se ha concluido que los xitos obtenidos en la
produccin de nuevos aceros empezaron a extenderse a los materiales como
los polmeros y las cermicas, obligando a crear nuevas investigaciones sobre
las propiedades de la materia.
En las investigaciones destaca la bsqueda de propiedades especficas
orientadas a lograr la eficiencia global de los procesos, se incide as en
aspectos como la resistencia a las altas temperaturas, la resistencia mecnica,
la resistencia a la corrosin, as como una mayor eficiencia energtica, a la par
de reducciones en la densidad y en peso, o bien, capacidades conductoras
ampliadas, texturas, transparencia, etc. Estas caractersticas se han logrado
obtener por combinaciones y procesos.
Los diagramas de fases son de gran utilidad para estas investigaciones.
Debido a que al aplicarle a un material cierto tratamiento trmico, el diagrama
de fases ayuda a predecir, por ejemplo, a que temperatura el material lograra
la solidificacin, a que temperatura fundira, a que temperatura lograra el
equilibrio cierta aleacin, averiguar la solubilidad, etc.
A su vez reflejar la importancia y la comprensin de las fases del hierro,
para as determinar su mejor uso y poder sacar un mejor provecho a las
distintas formas en las cuales se pueden hacer aleaciones, en pro de disear
nuevos materiales con caractersticas especficas, los cuales nos lleven a un
mejor uso de los mismos y claramente mejor rentabilidad.
-
29
REFERENCIAS
Daz, F. (2007). Tecnologa de materiales II (1ed). Izcalli, Mxico: Fes-
Cuautitln
Degarmo, E. Paul; Black, J T. y Kohser, Ronald A. (2007). Materials and
Processes in Manufacturing. (10ma ed.). USA: Wiley.
Malishev, A. (1985). Tecnologa de los metales. (7ma ed.). Mosc: Mir
Shey, J. (2002). Procesos de manufactura. (3ra ed.). Mxico: McGraw Hill
Smith, W. (2004). Fundamentos de la ciencia de los materiales. (2da ed.).
Mxico: McGraw Hill