Lección 10: Diagramas de Fase PDF

Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase TEMA VIII Materiales Metálicos Materiales LECCIÓN 10...

Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase TEMA VIII Materiales Metálicos Materiales LECCIÓN 10 Diagramas de Fases 1  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.1 INTRODUCCIÓN En un material, en términos de microestructura, una fase es una región macroscópicamente homogénea que difiere en estructura y/o composición de otra región. Los Diagramas de Fases (o Diagramas de Equilibrio) son representaciones gráficas de las fases presentes en un sistema material a varias temperaturas, presiones y composiciones. Materiales La información importante que se puede obtener a partir de los diagramas de fases es: 1. Las fases presentes en el sistema a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2. La temperatura a la cual las diferentes fases comienzan a fundirse. 3. La presencia de fenómenos de alotropía o polimorfismo en estado sólido. 2  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.2 DIAGRAMAS DE FASES DE UN COMPONENTE Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Materiales 3  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.3 LA REGLA DE LAS FASES La regla de las fases o regla de Gibbs permite obtener los grados de libertad (F) posibles para mantener una situación de equilibrio en un sistema material, en base al número de sus componentes (C) y fases presentes (P), teniendo en cuenta la existencia de dos variables termodinámicas independientes, usualmente presión y temperatura. La regla se expresa por la relación: F+P=C+2 Materiales A presión constante (1 atmósfera): F + P = C + 1 (regla de fases condensada) C=1 C=1 C=2 C=2 P=1 F = 2 (P, T) F = 1 ; P = P (T) F = 3 (P, T, C) F = 2 (P, T) P=2 P=1 P=2 4  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.4 SOLUCIONES SÓLIDAS Solución: mezcla macroscópicamente homogénea de una sustancia (soluto) dispersa en otra (solvente). Solución sólida: solución en que ambas sustancias son sólidas (ofrece la posibilidad de orden). Al mezclarse dos o más sustancias en estado líquido puede suceder que sean: Materiales completamente solubles parcialmente solubles totalmente insolubles aceite agua y sal agua agua y alcohol sal 5  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Al solidificar puede ocurrir: – que la solubilidad sea total – que la solubilidad sea parcial – que la solubilidad sea nula – que se formen nuevos compuestos químicos Todas estas posibilidades quedan reflejadas en los diagramas de fases Materiales 6  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.5 DIAGRAMAS DE FASES BINARIOS Los diagramas de fases son mapas temperatura – composición de sistemas (a P = cte.) que se obtienen a partir de series de curvas de enfriamiento. Muestran las fases presentes y sus composiciones para cualquier temperatura y composición de la aleación, permitiendo predecir las transformaciones entre fases y la microestructura resultante. Materiales 7  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.6 INTERPRETACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASES BINARIOS Materiales La constitución de una aleación queda descrita por: - La composición global de la aleación - El número de fases presentes - La composición de cada fase - La fracción, porcentaje o proporción en peso de cada fase 8 Materiales Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Regiones monofásicas 1. La composición química de la fase coincide con la composición total de la aleación original. 2. Físicamente la aleación estará constituida por 100% de fase líquida homogénea o bien 100% de fase sólida homogénea. 9 Materiales Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Regiones bifásicas 1. A la temperatura de interés para la aleación considerada se construye la línea de reparto (isoterma), que conecta dos fases (L y S, en este caso) a través de la región bifásica. 2. La composición química de las dos fases (CL y CS) viene dada por las intersecciones de dicha línea con las de los límites de fase en cada extremo, trasladadas verticalmente hacia abajo y leídas directamente sobre el eje horizontal de las composiciones. 3. La proporción o porcentaje de cada fase se calcula en base a la Regla de la Palanca. 10 Materiales Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase R C − CS Porcentaje de fase líquida de composición CL: WL = = 0 R + S CL − C S S C − C0 Porcentaje de fase sólida de composición CS: WS = = L R + S CL − C S Como únicamente hay dos fases implicadas se verifica que: WL + WS = 1 ; WL (%) + WS(%) = 100 11  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Desarrollo de microestructuras Materiales 12  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.7 TIPOLOGÍA DE LOS DIAGRAMAS DE FASES Inmiscibilidad total en estado líquido Materiales 13  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Miscibilidad parcial en estado líquido. Diagramas con MONOTÉCTICO Monotéctico: punto invariante (f = 0) en el que un líquido (L1) se transforma en otro líquido (L2) y un sólido α. Reacción monotéctica: L1 → L 2 + α Materiales Temperatura crítica de solubilidad (TK) Vacío de mezcla 14  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Solubilidad total en estado sólido y líquido. Sistemas isomorfos Materiales 15  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Solubilidad total en estado líquido y nula en sólido. Diagrama EUTÉCTICO Eutéctico: punto invariante (f = 0) en el que un líquido (L) se transforma en otros dos sólidos diferentes (α y β). L Reacción eutéctica L → α +β Temperatura (ºC) L+B Materiales L+A A+B A 20 40 60 80 B Peso porcentual de B Diagrama “sin eutéctico” 16  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Solubilidad total en estado líquido y parcial en sólido. Diagramas con EUTÉCTICO T Materiales composición 17 Materiales Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 18 Materiales Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 19  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Diagramas de equilibrio con fases y/o compuestos intermedios T Materiales Composición 20  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Diagramas con PERITÉCTICO Peritéctico: punto invariante (f = 0) en el que un líquido (L) y una fase sólida (α) se transforman en otra sólida distinta (β). Reacción peritéctica: L+α →β T Materiales L Punto peritéctico ε+L ε + L→ η 21  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Diagramas de equilibrio con EUTECTOIDE Eutectoide: punto invariante (f = 0) en el que un sólido (γ) se transforma en otros dos sólidos diferentes (α y β). Reacción eutectoide γ → α +β Materiales 22  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Diagramas de equilibrio con PERITECTOIDE Peritectoide: punto invariante (f = 0) en el que dos sólidos (α y β) se transforman en otro sólido diferente (γ). Reacción peritectoide α +β → γ Materiales 23  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase Diagramas binarios generales I. Peritéctico II. Eutéctico III. Eutectoide Eutéctica L → α + β IV. Monotéctico V. Peritectoide Peritéctica L+ α →β Monotéctica L1 → L 2 + β Materiales Eutectoide γ → α +β Temperatura (ºC) Peritectoide α + β → γ A 20 40 60 80 B Peso porcentual de B 24  Tema VIII: Materiales Metálicos Lección 10: Diagramas de Fase 10.8 ACTIVIDADES DE SEGUIMIENTO A 200 ºC y presión atmosférica constante, una aleación de soldadura 50:50 Pb – Sn presenta dos fases, una fase sólida rica en plomo y una fase líquida rica en estaño. Calcular los grados de libertad de esta aleación y comentar su significado práctico. Calcular los grados de libertad a presión constante de 1 atm para: a) Una solución sólida de Sn disuelto en Pb. Materiales b) Pb puro por debajo de su temperatura de fusión. c) Pb puro a su temperatura de fusión. “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”, J. F. Shackelford, 6ª Ed., pp. 298. 25