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teoria de diagrama de fases y algunos ejercicios de ingeniería de los materiales en diagrama de fases
Tipo: Ejercicios
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1. Aleación Aleación es el proceso y la consecuencia de alear. Esta acción, por su parte, alude a fundir ciertos elementos para lograr el producto conocido justamente como aleación, que está formado por dos o más componentes de los cuales, como mínimo uno es un metal. Una aleación, por lo tanto, es un elemento de propiedades metálicas. Se pueden realizar aleaciones con plomo, hierro, cobre y aluminio, entre otros metales. En cuanto a lo componentes no metálicos, suelen emplearse azufre, carbono, fosforo y silicio. Entre las aleaciones más frecuentes y conocidas encontramos: el bronce, el acero y el latón. 1.1. Propiedades de las Aleaciones Las aleaciones manifiestan alta conductibilidad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros, y un brillo metálico. Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, cohabitando simultáneamente la fase líquida y fase sólida. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad, pueden ser muy diferentes a las que pueden tener los componentes de forma aislada. Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición, del tamaño, forma y distribución de sus fases. La adición de un componente aunque sea en muy pequeñas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación. 1.2. Tipos de aleaciones De acuerdo al componente predominante, las aleaciones son clasificadas de distinto modo: Las aleaciones ferrosas: Las aleaciones ferrosas tienen como elemento mayoritario el hierro y en general, son aleaciones fuertes, maleables, de bajo costo y relativamente fáciles de obtener. La mayor producción de estas son los aceros, aleaciones hierro - carbono, a los que cambiando el porcentaje de estos elementos y agregando algunos otros, se les pueden dar propiedades específicas, dependiendo de la industria a la que se van a aplicar. La industria del acero se divide en varias ramas: o Aceros al carbón, con uso en construcción o Aceros inoxidables, para maquinado de piezas, platería e instrumental quirúrgico o Aceros para herramientas, a los que se les agrega W y Mo para endurecerlos o Aleaciones de acero con distintos elementos. Estos ya son de usos más específicos de acuerdo al elemento agregado o Aleaciones ultra resistentes (de baja aleación), que son los aceros de última generación.
Pag. 4 Las aleaciones no ferrosas: A pesar de que las aleaciones ferrosas, particularmente el acero, son ampliamente usadas en ingeniería por sus buenas propiedades mecánicas y su relativamente bajo costo de producción, existen algunas limitaciones en ellas, pues son materiales relativamente densos, en general no son buenos conductores eléctricos y, salvo los aceros inoxidables, son materiales proclives a la corrosión. Por tal motivo, la industria ha desarrollado otras aleaciones con metales base distinta al Fe, denominadas aleaciones no ferrosas_._ 1.3. Aleaciones más comunes Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son: Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7 % en peso de su composición, sobrepasando el 1.7 % (hasta 6.67 %) pasa a ser una fundición. Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa. Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24 %), aluminio (8-12 %) y níquel (15-26 %), aunque también puede contener cobre (6 %), en ocasiones titanio (1 %) y el resto de hierro. Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45 %), cobre (45-70 %) y níquel (8- 20 %). Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %. Constatan: Es una aleación, generalmente formada por un 55 % de cobre y un 45 % de níquel. Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso. Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio. Latón: Es una aleación de cobre con zinc. Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9 %), zinc (1 %) y manganeso (0.2 %). Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade aluminio y zinc. Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80 % de níquel y un 20 % de cromo. Nitinol: Titanio y níquel. Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel. Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo. Plata de ley: Es una aleación plata y normalmente cobre. Zamak: Es una aleación de base zinc, aluminio, magnesio y cobre.
2. Fases Una fase es una región que difiere en su microestructura y/o composición química, de otra región, y sus propiedades físicas homogéneas, que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos.
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5. Condiciones para la solubilidad Para que un material tenga solubilidad sólida ilimitada debe satisfacer ciertas condiciones conocidas como las reglas de Hume-Rothery que son las siguientes: Factor tamaño: Los átomos o los iones deben tener tamaño semejante, con una diferencia de radio atómico no mayor al 15%, para minimizar la deformación de la red, es decir, minimizar, a nivel atómico, las desviaciones causadas en las distancias interatómicas. Estructura cristalina: Los materiales deben tener la misma estructura cristalina; de lo contrario, se llegará a un punto en el que se presenta una transición de fase a otra con estructura distinta. Valencia: Los iones deben tener la misma valencia; de no ser así, la diferencia de electrones de valencia impulsa a la formación de compuestos, no de soluciones. Electronegatividad: Los átomos deben tener más o menos la misma electronegatividad. La electronegatividad es la afinidad hacia los electrones, si las electronegatividades son apreciablemente distintas, se forman compuestos, como cuando los iones del sodio y el cloro se combinan y forman cloruro de sodio. 6. Métodos experimentales para la construcción de los diagramas de fases: Existen esencialmente dos tipos de métodos de estudio de los sistemas temperatura-composición. Aquellos en los cuales se mantiene constante la temperatura y aquellos en los que se fija la composición. Se puede estudiar el sistema a temperatura constante según T1 o T2 (Métodos isotérmicos). Figura 6.1. Se puede también en un amplio margen de temperaturas estudiar el comportamiento de unas muestras de composición fija según X1 o X2 (Métodos de isocomposición).
Figura 6.1 Métodos isotérmicos y de isocomposición. Pag. 7 6.1 MÉTODOS ISOTÉRMICOS Medida de solubilidades Permite el trazado de la curva de liquidus mediante una separación de fases. Se separa la fase líquida de la fase sólida y se determina la composición de la fase sólida a esa temperatura mediante medios físicos o químicos. Examen microscópico Normalmente limitado al estudio de equilibrios sólido/sólido y a temperatura ambiente aunque existen equipos microscópicos que permiten estudiar la variación de la microestructura con la temperatura ya que incorporan algún sistema de calentamiento. Este estudio permite determinar la existencia de una o dos fases en el material y determinar los dominios de existencia de las fases intermedias. Podemos asegurar que las microestructuras observadas son de equilibrio ya que enfriamientos rápidos podrían llevar a microestructuras meta- estables. Para evitar este problema se pueden realizar recocidos a temperaturas en las que se halle favorecida la difusión y se alcancen las condiciones de equilibrio, seguidos de temple, con lo que se consigue congelar la estructura a la temperatura que se hubiera fijado. Rayos X Se procede igual que para estudios microscópicos, es decir, las muestras de composiciones diferentes se recuecen a una determinada temperatura, y después se templan. En el intervalo de una solución sólida monofásica, la red cristalina es la misma pero el parámetro de red cambia progresivamente con la composición. El límite de la solución sólida será aquel en el que el parámetro de red permanece constante al aparecer otra fase (figura 6.2). A partir de ese punto, el parámetro de red no cambia ya que las dos fases tienen la misma composición. Figura 6.2. Determinación del punto de solvus de una aleación mediante la variación del parámetro de red medido por difracción de RX. A) Puntos del diagrama de equilibrio que se han analizado. B) Variación del parámetro de red con la composición que establece el punto de inflexión.
Pag. 9 Figura 6.4. Determinación del punto de solvus a partir de la variación de resistividad en función de la temperatura. 6.2 MÉTODOS DE ISOCOMPOSICIÓN Estos métodos se llaman dinámicos, frente a los estáticos que se realizan a temperatura constante (isotérmicos), se estudia la evolución de una propiedad física y requieren en primer lugar alcanzar el estado de equilibrio. En los métodos de isocomposición la temperatura varía constantemente con la medida y no se espera que se alcance el equilibrio. Análisis térmico Es el método más importante dentro de este grupo. Este tipo de métodos es, con diferencia, el más empleado. El principio es bastante simple. Si la temperatura de un cuerpo que no sufre ningún cambio de fase se determina en función del tiempo durante el enfriamiento, la curva resultante no contendrá ningún salto. La existencia de un cambio de fase viene acompañada de un intercambio de calor que da lugar un retraso en el enfriamiento. En un componente puro cuando se alcanza la temperatura de solidificación, la temperatura se mantendrá constante debido a que se genera el calor latente de solidificación y a que al existir dos fases la temperatura debe permanecer constante. Durante el tramo horizontal de la curva, van cambiando las cantidades relativas de la fase sólida y líquida, hasta que se completa el paso al estado sólido.
Pag. 10 Figura 6.5. (A) Curva de enfriamiento sin cambio de Fase, (B) Curva de enfriamiento ideal de un componente puro. En realidad, en la siguiente figura, vemos que en el enfriamiento se sobrepasa ligeramente la temperatura de solidificación debido a que se produce un sub-enfriamiento debido a los impedimentos para la nucleación de la fase sólida. Cuando se produce por fin la nucleación y crecimiento la solidificación es tan rápida que puede producirse un recalentamiento prácticamente hasta la temperatura fusión al generarse el calor latente de solidificación y producirse la transformación a la temperatura de fusión. El final de la zona de temperatura constante no es abrupto. Normalmente existe un redondeamiento de la curva debido a errores experimentales. Figura 6.7. Curvas de Enfriamiento y calentamiento de un metal puro. En el calentamiento la fusión está precedida por un ligero sobre calentamiento y la zona de temperatura constante cae ligeramente por encima de la temperatura de fusión de equilibrio. Estos sub-enfriamientos y sobre-calentamientos son tan menores, cuanto menor sea la velocidad de enfriamiento o calentamiento.
Pag. 12 Figura 6.10. Curvas reales de enfriamiento de una aleación eutéctica y una aleación hipereutéctica. Basándose en estos fenómenos el análisis térmico consiste en distintas técnicas que estudian el comportamiento térmico de los materiales. Se trata de registrar diversas propiedades de una muestra en función de la temperatura durante el enfriamiento o calentamiento controlado (a velocidad constante) en una atmósfera especifica. Los fenómenos exotérmicos (en enfriamiento) o endotérmicos (en calentamiento) se ponen en evidencia y corresponden a líneas que se cruzan en el diagrama (liquidus, solidus o invariantes). Para realizar el análisis térmico el sistema ha de estar cerrado, es decir no se ha de producir transferencia de materia del exterior al interior o a la inversa. Al realizar el análisis térmico se puede producir segregación, es decir, que a medida que se produce la solidificación los cristales sólidos se vayan al fondo y el líquido que sobrenada tenga una composición distinta, de tal forma que los datos recogidos por el termopar varíen dependiendo de la posición del mismo. Para evitar esto es necesario mantener el sistema agitado para homogeneizar la composición y para que los cristales sólidos se distribuyan homogéneamente en el líquido. Otro problema que puede producir errores es que el gradiente de temperatura dentro de la masa no sea constante sino que existan gradientes térmicos a lo largo de la masa.
- Calorimetría diferencial de barrido (DSC) Se determina en una atmósfera controlada la variación del flujo de calor en una muestra en función de la temperatura. Tanto en el enfriamiento como en el calentamiento cualquier transformación física o química que ocurra en el material viene acompañada de un intercambio de calor. Mediante la técnica de DSC se puede determinar la temperatura de la transformación y se puede cuantificar la cantidad de calor que interviene. Es una variación de la técnica anterior. Figura 6.11. Equipo comercial de DSC
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- Dilatometría Consiste en medir las variaciones de volumen que acompañan a los cambios de fase en una aleación. Se estudia la evolución de la longitud de una muestra durante el calentamiento o el enfriamiento. Se registra la variación de longitud con la temperatura, pudiéndose observar que se produce una variación del comportamiento cuando se pasa de un campo monofásico a uno bifásico. En los equilibrios invariantes se produce un cambio brusco de longitud. Las curvas de calentamiento y enfriamiento no se superponen en la mayoría de los casos debido al sobre- calentamiento y a los sub-enfriamientos y se manifiesta un fenómeno de histéresis. Se pueden tener distintos tipos de porta-muestras para realizar estas medidas. Figura 6.12. (A) Dilatómetro. (B) Distintos tipos de soportes para dilatometría. Podemos ver como a partir de los datos de dilatometría de una muestra de composición determinada, se pueden determinar los datos que permiten el trazado de las líneas del diagrama de equilibrio. Figura 6.13. Determinación de diagramas de fase mediante medidas dilatométricas. Pag. 14
Figura 7.1. Diagrama de Fases. Fracción en peso de la fase sólida:
Fracción en peso de la fase liquida:
8. Diagramas de Fases y Tipos de Diagramas. El Diagrama de Fases es la representación gráfica de las presiones, temperaturas y composiciones para las cuales varias fases son estables en el equilibrio. En la ciencia de materiales, los diagramas de fases más comunes describen a la temperatura versus la composición. Hay tres tipos de Diagramas de fases, los cuales describo a continuación: - Tipo I: Solubilidad total al estado Liquido y Solido. a) Temperatura Liquidus y Solidus: La temperatura liquidus o de liquido, se define como aquella arriba de la cual un material es completamente liquido. La temperatura solidus o solido, es aquella por debajo de la cual esa aleación es 100% solida. La diferencia de temperaturas entre la de liquido y la de solido es el intervalo de solidificación de la aleación. b) Fases presentes: El diagrama de fases puede considerarse como un mapa de caminos, si se conocen las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se pueden determinar las fases que se encuentren presentes. c) Composición de cada fase: Cada fase presente en una aleación tiene una composición expresada, como el porcentaje de cada elemento en la fase. Cuando se encuentra presente solo una fase en la aleación, la composición de la fase es igual a la composición general de la aleación. Cuando coexisten dos fases, como liquido y solido, la composición de ambas difiere de la composición general original. Pag. 16
Figura 8.1. Diagrama (Solubilidad total al Estado Líquido y Solido). .
- Tipo II: Solubilidad total al estado líquido e insolubilidad al estado solido. Tecnicamente no existe cualquier par de metales que sean totalmente insolubles uno en otros. Sin embargo, el algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden cosiderarse como insolubles. Figura 8.2. Diagrama (Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado solido). El punto de intersección de las líneas liquidus se denomina eutéctico. La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificación del eutéctico. - Tipo III: Totalmente soluble al estado liquido y parcialmente soluble al estado solido. Solvus: Líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad máxima (solución saturada) de B en A (solución α) o de A en B (solución β) en función de la temperatura. El punto E, como en el tipo II, se llama eutéctico. Pag. 17
- Reacción eutéctica
- Reacción peritéctica o periférica
- Reacción Monotéctica
- Reacción eutectoide
