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TECSUP PFR Procesos Metalrgicos II

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Unidad III

TTEEOORRAADDEELLAASSAALLEEAACCIIOONNEESS--AALLEEAACCIIOONNEESSMMEETTLLIICCAASS

Las aleaciones metlicas estn formadas por un agregado cristalino de dos o ms

metales o de metales con metaloides.

Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y

dejando luego solidificar la solucin lquida formando una estructura granular cristalina

apreciable a simple vista o con el microscopio ptico.

La estructura queda conformada por diferentes micros constituyentes o fases como

son:

Cristales simples o de componentes puros, cristalizados separadamente donde cada

cristal contiene un solo componente. En este caso la aleacin llamada eutctica es una

mezcla ntima de cristales formada cada uno de ellos de un solo componente puro.Estas aleaciones son de poca aplicacin prctica debido a sus bajas propiedades

mecnicas.

Por su baja temperatura de fusin, se emplean casi exclusivamente para la soldadura

dulce. El ejemplo tpico lo constituye la aleacin plomo estao empleada en la

soldadura de lminas de cinc, cobre y latn.

Cristales de elementos compuestos. Estos cristales estn formados por compuestos

qumicos de los componentes donde no es posible distinguir separadamente los

componentes originales como en el carburo de hierro que le aporta dureza a los aceros

que lo contienen.

Cristales de solucin slida. Llamada as por semejanza con las soluciones lquidas.

Estn formados por una solucin slida de los componentes puros o por uno de ellos y

un compuesto qumico de ambos. Se forman debido a la solubilidad de los

componentes en el estado slido.

Cuando los cristales de solucin slida se forman con enfriamiento muy lento, tienen

estructuras muy homogneas y de buenas propiedades mecnicas para emplearlos enla construccin de partes de mquinas.


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Las propiedades de las aleaciones dependen de su composicin y del tamao, forma y

distribucin de sus fases o micro constituyentes. La adicin de un componente aunque

sea en muy pequeas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar

intensamente las propiedades de dicha aleacin.

En comparacin con los metales puros, las aleaciones presentan algunas ventajas:

Mayor dureza y resistencia a la traccin. Menor temperatura de fusin por lo menos de uno de sus componentes.Pero son menores la ductilidad, la tenacidad y la conductividad trmica y elctrica.

Para la preparacin de las aleaciones se emplean diferentes tipos de hornos:

Hornos de crisol. Hornos elctricos de arco o induccin. Hornos de reverbero.

1. SOLIDIFICACIN DE UNA ALEACIN DE UNA SOLUCIN ENEQUILIBRIO

En una aleacin como Cu-40% Ni que se funde y luego se enfra, la solidificacinrequiere que ocurra tanto la nucleacin como el crecimiento.

La nucleacin heterognea permite poco o prcticamente ningn

subenfriamiento, por lo que la solidificacin empezar cuando el lquido llegue a

la temperatura de lquidos.

El diagrama de fases (figura 3.1) con la isoterma trazada a la temperatura de

lquidos, indica que el primer slido que se forma tiene una composicin Cu-52%

Ni.


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Figura 4.1El cambio en estructura de una aleacin Cu-40% Ni durante la solidificacin en

equilibrio. Los tomos de nquel y cobre deben difundirse durante el enfriamiento, a finde satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura en equilibrio uniforme

Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del slido:

Primero, el crecimiento requiere que el calor latente de fusin, que se disipadurante la solidificacin del lquido, sea eliminado de la interfase slido lquido.

Segundo, y a diferencia de los metales puros, debe ocurrir la difusin tal demanera que durante el enfriamiento las composiciones de las fases slida y

lquida sigan las curvas de slidos y de lquidos. El calor latente de fusin es

eliminado a lo largo de un rango de temperaturas, y as a curva de

enfriamiento muestra un cambio en pendiente, en vez de una meseta plana.


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Figura 3.2La curva de enfriamiento correspondiente a una aleacin isomorfa durante la

solidificacin. Los cambios en la pendiente de la curva de enfriamiento indican lastemperaturas de lquidos y de slidos, en este caso, correspondientes a una aleacin

Cu-40% Ni

Al inicio de la solidificacin, el lquido contiene Cu-40% Ni y el primer slido

contiene Cu-52% Ni. Los tomos de nquel debieron difundirse y concentrarse en

el primer slido que se form. Pero despus de enfriarse hasta 1250C, la

solidificacin ha avanzado y el diagrama de fases indica que ahora todo el lquido

debe contener 32 por ciento de Ni y todo el slido debe contener 45 por ciento

de Ni. Al enfriarse desde el lquido hasta 1250C, algunos tomos de nquel

debieron haberse difundido del primer slido hasta el nuevo slido, reduciendo el

nquel del primero. Adems, Se difunden tomos de nquel del lquido en

solidificacin hacia el nuevo slido. Entre tanto, los tomos de cobre se han

concentrado, por difusin, en el lquido restante. Este proceso deber continuar

hasta llegar a la temperatura de slidos, donde el ltimo lquido en solidificarse,

que contiene Cu-28% Ni, lo hace formando un slido que contiene Cu-40% Ni.Justo debajo de la temperatura de slidos, todo el slido deber contener una

concentracin uniforme de 40 por ciento de Ni.

Para poder conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad de

enfriamiento debe ser extremadamente lenta. Debe permitirse el tiempo

suficiente para que los tomos de cobre y nquel se difundan y produzcan las

composiciones mostradas en el diagrama de fases. En la mayor parte de las

situaciones prcticas, la velocidad de enfriamiento es demasiado rpida para

permitir este equilibrio.


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2. DIAGRAMAS DE FASELos diagramas de fases son representaciones grficas de las fases que estn

presentes en un sistema de aleacin a diversas temperaturas, presiones ycomposiciones.

Estos diagramas indican las fases que estn presentes a diferentes

composiciones y temperaturas para condiciones de enfriamiento o calentamiento

lento, cercanas al equilibrio termodinmico.

Informacin que podemos obtener de los diagramas de fase:

Conocer que fases estn presentes a diferentes composiciones y temperaturasbajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

Averiguar la solubilidad, en el estado slido y en el equilibrio, de un elemento(o compuesto) en otro.

Determinar la temperatura a la cual una aleacin enfriada bajo condiciones deequilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la

solidificacin.

Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

2.1 DIAGRAMA DE FASES DE SUSTANCIAS PURASUna sustancia pura como el agua puede existir en las fases slido, lquido

y gas, dependiendo de las condiciones de temperatura y presin.

Un ejemplo familiar para todos de dos fases de una sustancia pura en

equilibrio es un vaso de agua con cubos de hielo. En este caso el agua,

slida y lquida, da lugar a dos fases distintas separadas por una fase

lmite, la superficie de los cubos de hielo.

Durante la ebullicin del agua, el agua lquida y el agua vapor son dos

fases en equilibrio. Una representacin de las fases acuosas que existen

bajo diferentes condiciones de presin y temperatura se muestra en la

Figura 3.3.


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Figura 3.3Diagrama de equilibrio de fases aproximado presin-temperatura (PT) para el

agua pura. (Los ejes del diagrama se encuentran algo distorsionados)

En el diagrama de fases presin-temperatura (PT) del agua existe un

punto triple a baja presin (4579 torr) y baja temperatura (0,0098 C)

donde las fases slida, lquida y gaseosa coexisten. Las fases lquida y

gaseosa existen a lo largo de la lnea de vaporizacin y las fases lquida y

slida a lo largo de la lnea de congelacin. Estas lneas son lneas de

equilibrio entre dos fases.

2.2 DIAGRAMAS DE FASES DE DOS COMPONENTESEn las regiones bifsicas de estos diagramas, las composiciones qumicas

de cada una de las fases se indican mediante la interseccin de la

isoterma con los lmites de fase. La fraccin en peso de cada fase en una

regin bifsica puede determinarse utilizando la regla de la palanca a lo

largo de una isoterma a una temperatura determinada.

En los diagramas de fase isomorfos binarios en equilibrio, los dos

componentes son completamente solubles entre s en estado slido y por

tanto solo hay una fase slida.


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Figura 4.4Diagrama de equilibrio de fasesisomorfo o de solubilidad total

En los diagramas de fase binarios en equilibrio de aleaciones se producen

frecuentemente reacciones invariantes que involucran tres fases en

equilibrio. Las reacciones ms comunes de tres fases son:

L = S1 + S2 (eutctica).

L + S1 = S2 (peritctica).

S1 = S2 + S3 (eutectoide).

S1 + S2 = S3 (peritectoide).

L1 = L2 + S1 (monotctica).L1 lquido 1, L2 lquido 2, S1 slido 1, S2 slido 2, S3 slido 3, L lquido.

Figura 4.5Diagrama de solubilidad parcial con punto eutctico

En muchos diagramas de fases binarios en equilibrio se encuentran fases

que pueden ser metales puros, soluciones slidas o compuestos

intermedios. Las fases intermedias pueden ser de composicin fija

(estequiomtricas) o abarcar un rango de composiciones (no

estequiomtricas).


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Durante la solidificacin rpida de muchas aleaciones, se crean gradientes

de composicin y se producen estructuras segregadas.

Una estructura segregada puede suprimirse por homogenizacin de la

aleacin fundida durante largo tiempo y a la temperatura, justo por

debajo del punto de fusin de la fase que funde a menor temperatura.

Si se recalienta ligeramente la aleacin fundida de tal modo que la fusin

tenga lugar a los bordes de grano se produce una estructura licuada.

Este tipo de estructura es indeseable por que la aleacin pierde

resistencia y puede que se rompa durante trabajos posteriores.

2.3 REGLA DE LAS FASES DE GIBBSEcuacin que permite calcular el nmero de fases que pueden coexistir en

equilibrio en cualquier sistema:

P + F = C + 2 (P+F=C+1 si la presin es cte=1 atm).

P = nmero de fases que pueden coexistir en el sistema elegido.

C = nmero de componentes en el sistema (elemento, compuesto o

solucin).

F = grados de libertad (nmero de variables: presin, temperatura y

composicin).

2.4 REGLA DE LA PALANCAFinalmente, el inters se enfoca en las cantidades relativas de cada fase,

presentes dentro de la aleacin. Estas cantidades normalmente se

expresan como porcentaje del peso (% peso).

En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En

regiones bifsicas, sin embargo, se deber calcular la cantidad de cada

fase. Una tcnica es hacer un balance de materiales.

Para calcular las cantidades de lquido y de slido, se construye una

palanca sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composicinoriginal de la aleacin (punto dado).


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El brazo de la palanca, opuesto a la composicin de la fase cuya cantidad

se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener la

cantidad de dicha fase.

En general la regla de la palanca se puede escribir de esta forma:

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier regin bifsica de un

diagrama de fases binario.

En regiones de una fase no se usa el clculo de la regla de la palanca

puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase

presente).

Pasos para calcular las composiciones: Ejemplo aleacin 60Cu- 40 Ni

1. Dibujar la isoterma.


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2. Encontrar el largo del lado opuesto a la composicin deseada.

3. Dividir el largo del opuesto por la isoterma:

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