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Sistemas Termodinámicos

¿ Que es un sistema termodinámico? • Es una región del espacio dentro de la cual existen diferentes componentes

que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa.

• Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Sistema cerrado

• Es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). se trata de un sistema termodinámico que sí puede efectuar un intercambio de energía con el entorno, pero no de materia.

Ejemplo:

• El planeta tierra (intercambia energía pero no materia).

• Una olla a presión que no permita escape de gases.

SISTEMA ABIERTO.

Un sistema abierto puede intercambiar materia y energía con su entorno. Por ejemplo, una cierta cantidad de agua en un recipiente abierto.

SISTEMA AISLADO

Un sistema aislado, no posibilita la transferencia de materia ni de energía, como ocurre en un termo.

PROPIEDADES DE LOS SISTEMAS TERMODINÁMICOS.

Propiedades.

Físicas

-Punto de Fusión.

-Dureza.

-Olor.

-Densidad.

Químicas

Aleaciones.

ESTADOS DE EQUILIBRIO.

• Equilibrio mecánico

• Equilibrio térmico

• Equilibrio de fases

• Equilibrio químico

EJERCICIOS PROPUESTOS.

El cuerpo humano. En tanto está necesitado de materia para descomponer y obtener energía, el cuerpo es un sistema abierto que requiere de disponibilidad de insumos orgánicos. Por otro lado, requiere de expulsar la materia sobrante desechada de vuelta al medio ambiente. De no poder realizar ambas acciones durante un período muy prolongado, el sistema falla y se produce la muerte.

Una caja fuerte. El contenido en las cajas fuertes está separado por gruesas capas herméticas de metal de su entorno, aislado de la materia y de la energía, al menos en condiciones normales: si la arrojamos a un volcán es seguro que se derrita y se incinere su contenido.

Los bombillos o focos. No necesitan materia para operar, pero sí energía eléctrica constante: en el momento en que se la corte, cesarán en su emisión de luz, que dicho sea de paso es también una forma de energía transmitida al entorno.

Estados de equilibrio en un sistema

• Un sistema está en equilibrio siempre y cuando no ocurran cambios en sus propiedades sin un factor externo.

• Todos los cuerpos tienden a un estado de equilibrio siempre y cuando se aíslen de los alrededores por suficiente tiempo. El estado de equilibrio puede ser: • Estable

• Meta-estable

• Inestable.

Estable:

•El sistema en equilibrio estable tenderá a volver a su estado original aún después de una perturbación.

•Nivel de energía mas bajo.

Meta-estable:

• Un sistema metaestable se comportará como un sistema estable siempre y cuando la perturbación sobre el sistema no sea lo suficientemente grande. Por ejemplo, una mezcla de oxígeno e hidrógeno se puede mantener inalterada por muchísimo tiempo, sin embargo, una chispa eléctrica produciría una explosión y el paso a otro estado de equilibrio.

• Reúne los atributos de equilibrio, pero no tienen el nivel de energético mas bajo.

Inestable:

• En un estado inestable el sistema evoluciona espontáneamente con apenas una pequeña perturbación.

META- ESTABLE

INESTABLE

ESTABLE

Procesos Reversibles e Irreversibles

PROCESO REVERSIBLE

• Proceso reversible: Se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro a sus alrededores.

• El sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso

• Los procesos reversibles no ocurren en la naturaleza, solo son idealizaciones de procesos reales.

PROCESO IRREVERSIBLE

Una transformación de un sistema pasando de un estado inicial a un estado final es irreversibles si el paso del estado final al inicial es imposible sin efectuar ningún cambio a los cuerpos del entorno; esto es, el retorno precisa compensación.

TIPOS • Irreversibilidad mecánica externa isotérmica: Para devolver al sistema y su entorno

inmediato a sus estados iniciales sin producir otros cambios, deberíamos extraer Q unidades de calor de la fuente y transformarlas íntegramente en trabajo; dado que esto viola la segunda ley de la Termodinámica es imposible, estos procesos son irreversibles.

• Irreversibilidad mecánica interna: Los procesos en los que primero se transforma energía interna de un sistema en energía mecánica, y después en energía interna nuevamente, decimos que presentan irreversibilidad mecánica interna.

• Irreversibilidad química: Un proceso presenta irreversibilidad química si supone un cambio espontáneo de estructura química, densidad, fase, etc.

El proceso de irreversibilidad va muy de la mano con la entropía, esto debido a que la definición de entropía es: Magnitud termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema.

POTENCIAL TERMODINÁMICO

EQUIPO 2 INTEGRANTES: • Ramón Santillán • Arcelia Viridiana Ramírez Butanda • Marco Antonio Navarrete Torrez • Karen Lisseth Encinas García. • Erick Diaz • Jessica Guadalupe Amezquita Fragoso

Potencial termodinámico

• Es una ecuación constitutiva asociada a un sistema termodinámico que tiene dimensiones de energía.

• El calificativo de «potencial» describe la cantidad de energía potencial disponible en el sistema termodinámico sujeta a ciertas restricciones.

Sistema termodinámico

• También denominado sustancia de trabajo se define como la parte del universo objeto de estudio.

Variables termodinámicas

• Masa • Volumen • Presión • Temperatura Variables extensivas e intensivas • variable extensiva: La masa y el volumen • variable intensiva: La temperatura y la presión • Ecuación de estado:Depende sólo del estado del sistema

Equilibrio termodinámico

• Variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

• Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

• Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema.

Los cuatro potenciales más comunes son:

• Así los diferentes potenciales corresponden a diferentes tipos de restricciones sobre el sistema.

• T = temperatura, S = entropía, P = presión, V = volumen, Ni es el número de partículas y μ el potencial químico.

La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. - La unidad de energía del Sistema Internacional es el julio y su símbolo es J. - La energía se conserva, se transforma, se traspasa o transfiere y se degrada.

Tipos de energía - Los cuerpos poseen energía: potencial, cinética e interna y transmiten energía: calor y trabajo

Energía interna

La energía interna de un cuerpo es la suma de la energía de todas las partículas que componen un cuerpo. Entre otras energías, las partículas que componen los cuerpos tienen masa y velocidad, por lo tanto tienen energía cinética interna. También tienen fuerzas de atracción entre ellas, por lo que tienen energía potencial interna. La energía interna es muy difícil de calcular ya que son muchas las partículas que componen un cuerpo y tienen muchos tipos diferentes de energía. Lo que se suele hacer es calcular la variación de energía interna.

Energía interna

La energía interna es la suma de dos tipos de energía diferentes: la energía cinética interna y la energía potencial interna. La energía cinética interna es la suma de las energías cinéticas de cada elemento de un sistema respecto a su centro de masas. La energía cinética interna es causada por el movimiento de las partículas del sistema (traslaciones, rotaciones y vibraciones). La energía potencial interna es la energía potencial asociada a cada una de las interacciones de estos elementos. La energía potencial interna está asociada con los constituyentes estáticos de la materia, la energía electrostática de los átomos dentro las moléculas o cristales, y la energía estática de los enlaces químicos.

Energía cinética interna y energía potencial interna

Ejemplo:

12 Energía Libre de Helmont.

• Es una magnitud extensiva, función de estado y potencial termodinámico, de un sistema que mide el trabajo obtenible en un sistema cerrado, en condiciones de temperatura constante. No depende del proceso sufrido, sino del estado final e inicial del sistema. Se usa para ver qué procesos son espontáneos en condiciones de temperatura y volumen constantes. Si el volumen no se mantiene constante, parte del trabajo se efectúa en el entorno. Previamente era denominada energía libre.

ENTALPIA

¿QUE ES ENTALPIA?

• La entalpía (“H”) es la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema

• Su fórmula es H= U+ PV [J]

Donde: U=Energía interna P=Presión V=Volumen

CAMBIO DE ENTALPIA

• No se puede medir la energía de un sistema, por lo tanto la entalpia tampoco, pero si se puede medir el cambio de esta ΔH

• Cuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía ( Δ H).

• ΔH = Hf – Hi donde: • Hf :condiciones finales (productos) • Hi: condiciones iniciales (reactivos)

TIPOS PRINCIPALES DE ENTALPIA

• Entalpía de formación: representa la cantidad de calor que se absorbe o se descarga cuando se produce un mol de un compuesto. Esta entalpía será negativa, cuando provenga de una reacción exotérmica

• Entalpía de reacción: representa la variación de entalpías en formación, es decir, la cantidad de calor atraído o liberado, en una reacción química cuando ésta sucede a presión constante.

¿QUE ES UNA REACCION ENDOTERMICA?

• Es aquella que tiene un incremento de entalpia o ΔH positivo. Es decir, la energía que poseen los productos es mayor a la de los reactivos

ΔH=Hf-Hi

Inicio

Fin

Entra calor

Hf>Hi

ΔH será positiva

Reacción endotérmica

¿QUE ES UNA REACCION EXOTERMICA?

• Se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción química que desprenda energía, ya sea como luz o calor, o lo que es lo mismo una variación negativa de la entalpia, es decir ,-ΔH. Por tanto se entiende que las reacciones exotérmicas liberan energía.

ΔH=Hf-Hi

Sale calor

Inicio

Fin

Hi>Hf ΔH será negativa

Reacción exotérmica

DIAGRAMAS DE ENTALPIA

• Si la reacción es endotérmica, es decir absorbe calor, el diagrama de entalpia tendría la forma siguiente:

DIAGRAMAS DE ENTALPIA

• Si la reacciones exotérmica es decir , desprende calor , el diagrama de entalpia seria el siguiente:

EJEMPLOS:

• ENTALPIA DE FORMACION ΔHf0 :

1.En las tablas encontramos que ΔHf

0 (CO2) = -394 kJ/mol, por ser negativa se deduce que Hi>Hf lo que Significa que se libera calor(reacción exotérmica)

C(s) + O2 (g) → CO2 (g) - 394 KJ ΔH = HProductos – Hreactivos = -394 kJ – 0 kJ

ΔH = Q=-394 kJ

EJEMPLOS

• Entalpía de formación ΔHf0 .:

• 2: En las tablas encontramos que ΔHf

0 (CO) = -111 kJ/mol, esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + 1/2 O2 (g) → CO (g) - 111kJ

Se liberan 111kJ de calor para producir un mol de monóxido de carbono.

EJEMPLOS:

• Entalpia de reacción: • Ejemplo 1: Conocidas las entalpías estándar de formación del

butano, C4H10 (g) [ΔHf º= - 124,7 KJ/mol], agua, H2O (l) [ΔHf º= - 285,8 KJ/mol] y dióxido de carbono, CO2 (g) [ΔHf º= - 393,5 KJ/mol], calcula la entalpía de combustión del butano

C4H10 (g) + 02(g) → CO2 (g) H2O (l)

1 C4H10 (g) + 132

02 (g) → 4 CO2 (g) 5 H2O (l)

ΔHr0 =∑ np ΔHf

0(productos) - ∑ nr ΔHf0(reactivos)

ΔHr0= [4(-393.5)+5(-285.8)]-[1(-124.7)+13

2(0)]

ΔHr0=-2878.3 kJ

Energía libre de Gibbs

REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

• A partir de consideraciones termodinámicas, J. W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación, llamada regla de las fases de Gibbs

• P + F = C + 2 P = número de fases que pueden coexistir en el sistema C = número de componentes en el sistema F = grados de libertad (Temperatura y Presión)

Considérese la aplicación de la regla de Gibbs al diagrama de fases presión-temperatura PT del agua pura. En el punto triple, hay un solo componente en el sistema (agua)

• Los diagramas de fase binarios utilizados en la ciencia de los materiales son, en su mayoría, diagramas temperatura-composición, en los que la presión se mantiene constante, por lo general a 1 atm. En este caso, se tiene la regla de fases condensada, dada por

• P + F = C + 1

EQUIPO 4

■ NALLELY ORTEGA

■ ADAM MIRANDA

■ EMILIO BORJA

■ URIEL GUTIERREZ

■ MARTIN MURILLO

■ SHEILA RAMIREZ

GRADOS DE LIBERTAD

■ Por grados de libertad de un sistema se entiende el número mínimo de parámetros de estado que permite especificar completamente el estado del sistema.

■ Los grados de libertad para un punto de análisis ayudan a determinar si a esas condiciones puede coexistir una o dos fases. En el caso de encontrarse con un punto tal que al aplicar la regla de fases de Gibbs se obtenga un valor para los grados de libertad igual a cero eso indica que en ese punto pueden coexistir 3 fases sin que exista variación de temperatura ni de composición.

REGLA DE FASES DE GIBBS

Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo del tipo

de variables que consideremos. Establece la siguiente relación:

F = C - P + N

Donde: F = número de grados de libertad C = Cantidad de elementos químicos

P = número de fases presentes 2 = es el número de variables de estado del sistema (temperatura y presión)

PODEMOS DEFINIR…

■ Fases: son las porciones del sistema, físicamente homogéneas en todas sus propiedades y mecánicamente separable del resto del sistema.

■ Componente: es el número más pequeño de elementos químicos en función de los cuales queda representada una fase

En los casos experimentales que nosotros trataremos, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así establecemos que:

P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así pues, la regla de las fases queda establecida para nuestros propósitos empíricos como:

F = C - P + 1

Ejemplo

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SISTEMAS DE ALEACIONES

EQUIPO #3 25/SEPTIEMBRE/2017 CIENCIA DE LOS MATERIALES PARA INGENIERÍA MECÁNICA

Un sistema de aleaciones es una combinación de de un metal con otros metales o no metales.

Una aleación se describe comenzando por los elementos que la componen y su concentración

% en peso (Wt %) % atómico (At %). Los sistemas de aleaciones se clasifican de acuerdo con la cantidad de componentes o

elementos que constituyen el sistema.

Propiedades: • Dependen de su composición y del tamaño, forma y distribución de sus fases

o micro constituyentes.

• Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza,

ductilidad, tenacidad etc. pueden ser muy diferentes a las que pueden tener los componentes de forma aislada.

• Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductibilidad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros.

• Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo

simultáneamente la fase líquida y fase sólida.

• Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan.

Sistemas binarios. Características • Solubles en estado líquido y en estado sólido

• Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido

• Solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido

• Sistemas que forman compuestos intermetálicos

Binarios

Ternario Es un diagrama que

representa el equilibrio entre las distintas fases que se forman mediante tres componentes, como

una función de la temperatura.

Normalmente, la presión

no es una variable indispensable en la

construcción de diagramas de fases ternarios, y por la

tanto se mantiene constante a 1 atm

REGLAS DE HUME-ROTHERY

Para obtener una solución sólida total:

Las reglas de Hume-Rothery representan un conjunto de condiciones que deben cumplir las soluciones sólidas metálicas, para que tenga lugar la miscibilidad total entre las distintos componentes. Dichas reglas establecen que:

1. La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior al 15 por 100.

2. La electronegatividad (capacidad del átomo para atraer un electrón) debe ser similar.

3. Los dos metales deben poseer la misma estructura cristalina.

Si no se cumple una o más de las reglas de Hume-Rothery, sólo es posible obtener solubilidad parcial.

Para describir completamente una aleación es

necesario conocer:

1. Fases presentes 2. Fracción en peso de cada fase 3. Composición de cada fase

Diagramas de equilibrio de las fases: Se llama fase a una porción de un sistema de

aleación que puede diferenciarse físicamente, que tienen una composición uniforme e iguales

propiedades físicas y químicas. Las variables de estado son factores

independientes de las cuales depende el estado del sistema, como la temperatura, presión y

composición.

El equilibrio es la condición del sistema en el que no se manifiesta ninguna tendencia al cambio. Se puede

definir al equilibrio químico como aquella condición en donde la energía potencial de un átomo o

molécula dados es la misma en cada parte del sistema en estudio.

Un diagrama de equilibrio o más comúnmente llamado diagrama de fases es un diagrama

Temperatura vs. Composición, el cual muestra las fases presentes en condiciones de equilibrio.

Estos corresponden a una sustancia pura (la composición se mantiene constante). Esto significa que las únicas variables de interés son la presión y

la temperatura. Por ello, estos diagramas se conocen como diagrama P-T.

Diagrama de fases de un solo componente:

Ejemplo: El diagrama P-T del agua se muestra en la Figura 1, donde se observan regiones para tres fases diferentes: sólido, líquido

y vapor. Cada una de las fases existe en

condiciones de equilibrio a través de los intervalos presión-temperatura de su

área correspondiente. Cada una de las tres curvas de este diagrama (aO, bO y

cO) son límites de fases. Cualquier punto de estas curvas

representa un equilibrio entre las dos fases a cada lado. T

ambién, al cruzar una línea (al variar la presión o la temperatura), una fase se

transforma en otra. Por ejemplo, a una presión de 1 atm, durante el calentamiento, ocurrirá la

fusión del hielo a 0°C y posteriormente la vaporización del líquido a 100°C (punto 2

y 3 de la Figura 1, respectivamente).

Diagrama de fases binarios: Como su nombre lo dice, tienen sólo dos componentes.

En ellos la presión se mantiene constante, generalmente a 1 atm. Los parámetros variables son la temperatura y la composición.

Los diagramas de fases binarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura, composición y cantidad de fases en

equilibrio, las cuales influyen en la microestructura de una aleación.

Muchas microestructuras se desarrollan a partir de transformaciones de fases, que son los cambios que ocurren entre las fases cuando se

altera la temperatura (en general, en el enfriamiento). Esto puede implicar la transición de una fase a otra, o la aparición o desaparición

de una fase.

Sistemas isomorfos binarios:

Los sistemas binarios se denominan isomorfos cuando existe solubilidad completa de los dos componentes

en estado líquido y sólido. Para que ocurra solubilidad completa en estado

sólido, ambos elementos aleantes deben tener la misma estructura cristalina, radios atómicos y electronegatividades casi iguales y valencias

similares.

Ejemplo: Éste es el caso del sistema Cobre-Níquel

que se muestra en la Figura 4. En el diagrama aparecen tres regiones o campos de fases. Un campo alfa (α), un

campo líquido (L) y un campo bifásico (α + L).

Cada región está definida por la fase o fases existentes en el intervalo de temperaturas y composiciones acotadas por los límites de

fases. El liquidus L es una disolución líquida

homogénea compuesta de cobre y níquel. La fase α es una disolución sólida

sustitucional que consiste de átomos de Cu y Ni, de estructura cúbica de caras centrada. A temperaturas inferiores a 1080°C, el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado

sólido para todas las composiciones, razón por la cual el sistema se denomina isomorfo.

El calentamiento del cobre puro corresponde al desplazamiento vertical

hacia arriba en el eje izquierdo de temperaturas.

La temperatura no se incrementará hasta tanto no termine la fusión completa de todo el sólido.

En una composición diferente a la de los componentes puros, la fusión ocurrirá en un intervalo de temperaturas entre líquidos y

sólidos. Ambas fases (sólido y líquido) estarán en equilibrio dentro de este intervalo de temperaturas.

El cobre permanecerá solido hasta que alcance su temperatura de fusión (1085°C), en donde ocurrirá la transformación de sólido a

líquido.

Interpretación de los diagramas de fases:

• Letras griegas minúsculas (α, β, γ, etc.): cada una de ellas representa una solución sólida.

• Liquidus: Línea que separa los campos de fases L y (L+α1). Por encima de la línea liquidus, se tiene fase líquida a todas temperaturas y composiciones.

• Solidus: Línea que separa los campos de fases α1 y (L+α). Por debajo de la línea solidus, se tiene fase sólida (α) a todas temperaturas y composiciones.

Solidus y liquidus

Determinación de las fases presentes:

•a) Localizar en el diagrama el punto definido por la temperatura y composición de la

aleación. •b) Identificar las fases presentes en el campo

de fases correspondiente.

Ejemplo:

El punto A de la Figura 4 está dentro de la región α, por lo

que sólo estará presente la fase α. El punto B de la Figura 4

está dentro de la región (α + L), por lo

que estarán presentes α y líquido

en equilibrio.

Determinación de las composiciones de cada una de las fases:

a) Localizar en el diagrama el punto definido por la temperatura y composición de la aleación. Para regiones monofásicas: la composición de la fase coincide con la composición global de la aleación.

Ejemplo: Una aleación 60%wt de Ni y 40%wt de Cu. A 1100°C se ubicaría en el punto A de la Figura 4. En esta

composición y temperatura, sólo se encuentra presente

fase α con 60%wt de Ni y 40%wt de Cu (coincide con la

composición global de la aleación)

Para regiones bifásicas, proceder con el b) b) En el punto de interés (definido por la T y la

composición) trazar una isoterma, extendiéndose a través de la región bifásica y terminando en las líneas de límites

de fases a cada lado. c) Observar las intersecciones de la isoterma con los

límites de fases a cada lado. d) Trazar líneas perpendiculares a la isoterma a partir de

las intersecciones hasta el eje horizontal de composiciones.

e) Leer las composiciones de cada fase según cuál es el límite de la región que intercepta la isoterma.

Ejemplo: Aleación 35%wt de Ni y

65%wt de Cu. A 1250°C es el punto B de la Figura 4 y se encuentra

en la región (α+L). Se traza la isoterma a

través de la región (α+L) y las perpendiculares a la

isoterma en la intersección con los límites de la región

bifásica. De esta forma, el punto B está constituido por fase

líquida de composición CL (31.5%wt Ni-68.5%wt Cu) y

fase sólida α de composición CS (42.5%wt

Ni-57.5%wt Cu).

ACTIVIDAD

Conceptos importantes: • Aleación • Diagrama de Fase • Matriz • Aleante

Análisis de un sistema de

aleación Binario.

DIAGRAMA Sn-Pb

TERMODINÁMICA DE LAS ALEACIONES

LUNES 2 DE OCTUBRE DE 2017

SOLUBILIDAD

Es la cantidad de material que se disolverá por completo en un segundo material sin crear una segunda fase.

SOLUBILIDAD TOTAL Cuando dos metales presentan mucha afinidad y gran similitud en cuanto estructura, es posible que formen sistemas de solubilidad total en estado sólido.

Se debe recalcar que la solubilidad total es independiente de las cantidades de los componentes.

Reglas de Hume Rothery

Átomos o iones deberán tener un tamaño semejante (radio atómico no más 15%), para evitar las desviaciones ocasionadas en el espacio interatómico.

01 Igual estructura cristalina de lo contrario ocurrirá un cambio de fase.

02 Los iones deben tener igual valencia, sino promueve la formación de compuestos en lugar de soluciones.

03 Las electronegatividades deben ser similares, de otra manera ocurrirá lo mismo que al tener distintas valencias.

04

En una solución de níquel y cobre, si se mezclaran cantidades cualesquiera de los componentes se formaría una fase liquida, la cual tendrá la misma composición y propiedades en cualquier parte. Ahora digamos que se solidifica, esto quiere decir que sus átomos se localizaran de manera aleatoria formando una estructura cristalina y sus propiedades seguirán siendo uniformes.

Solubilidad Parcial

Solubilidad limitada: significa que uno de los componentes puede disolverse hasta cierto limite en el otro. En este caso se producen dos o mas fases en la solución.

Las características del eutéctico son: El punto eutéctico (E) es un punto único en el

que coexisten 3 fases; alfa, beta y líquido.

Tiene composición fija.

Es un punto invariante del diagrama.

La composición eutéctica 60% A - 40%B, correspondiente a este punto, se conoce como composición eutéctica.

Línea de liquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.

Línea de solidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.

Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en dos disoluciones sólidas (α) + (β) de distinta composición en A y B.

El ejemplo típico es mezclar sal con agua. En ciertas cantidades, la sal se disuelve completamente en el agua, creando un fase (agua salada). Después de cierto límite, la sal no se disuelve más, generándose dos fases (agua salda + sal no disuelta)

SISTEMAS BINARIOS

SISTEMAS DE ALEACIONES BINARIAS EUTÉCTICAS

Muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes

que presentan solubilidad so lida limitada de un elemento

en otros como.

Las regiones de solubilidad so lida restringida en cada extremo del diagrama se

designan como fases alfa y beta, y se denominan

soluciones so lidas terminales, ya que aparecen al final del

diagrama.

A medida que la temperatura disminuye la solubilidad so lida

maxima de los elementos solutos disminuye siguiendo las li neas de solvus del diagrama

de fases.

En los sistemas binarios eute cticos simples, hay una aleacio n compuesta conocida como composicion eutectica, la cual solidifica a temperatura mas baja que todas las demas composiciones. Esta baja temperatura, que corresponde a la minima temperatura a la cual la fase liquida puede existir cuando se enfria lentamente, es la llamada temperatura eutectica. En el sistema la composicio n eute ctica y la temperatura eutectica determinan un punto en el diagrama de fases llamado punto eutectico.

Cuando el liquido de la composicio n eute ctica se enfria lentamente hasta la temperatura eutectica, la fase simple liquida se transforma simultaneamente en dos formas so lidas (soluciones so lidas α y β). Esta transformacio n se conoce como reaccion eutectica .

01 La reaccio n eutectica se llama reaccion invariante porque tiene lugar bajo condiciones de equilibrio a temperatura especi fica y a composicio n de la aleacio n invariable (de acuerdo con la regla de Gibbs, F = 0). Durante el progreso de la reaccion eutectica, la fase li quida esta en equilibrio con las dos soluciones so lidas α y β, de modo que durante una reaccio n eutectica coexisten tres fases y esta n en equilibrio.

02

Las composiciones a la izquierda del punto eute ctico se llaman hipoeutecticas. A la inversa, las composiciones a la derecha del punto eute ctico se llaman hipereute cticas .

El primer so lido que se forma en este tipo de aleacio n se llama primario o alfa proeute ctico.

SISTEMAS DE ALEACIONES

BINARIAS PERITÉCTICAS

Esta reaccion se presenta comunmente como parte de los diagramas de equilibrio mas complicados, particularmente si los puntos de fusio n de los dos componentes son completamente diferentes. En la reaccion perite ctica, una fase liquida reacciona con una fase so lida para formar una fase so lida nueva y diferente.

El punto peritectico es invariante, ya que las tres fases δ, γ y liquida, coexisten en el equilibrio.

La regla de la palanca puede aplicarse en las regiones de doble fase del diagrama peritectico de la misma forma que se hace para el diagrama eutectico.

Durante la solidificacion natural de las aleaciones peritecticas, la salida del estado de equilibrio es notable debido a la velocidad de difusion atomica relativamente lenta a trave s de la fase solida que origina esta reaccion.

Durante el equilibrio o en el enfriamiento lento de una aleacion de composicion peritectica a traves de la temperatura peritectica, toda la fase solida alfa reacciona con todo el liquido para producir una nueva fase solida beta. Sin embargo, durante la solidificacion rapida de una aleacion fundida a trave s de la temperatura peritectica, tiene lugar un fenomeno de no equilibrio llamado circundante o de envoltura.

Ya que la fase beta formada es una fase so lida y como la difusion en estado solido es relativamente lenta, la fase beta formada alrededor de la fase alfa crea una barrera de difusion y se produce la reaccion peritectica a una velocidad siempre decreciente. De este modo, cuando la aleacion peritectica se funde de forma rapida, se origina la formacion de nucleos durante la formacion de la fase alfa primaria, y tiene lugar el recubrimiento de la fase α nucleada por parte de la fase de β durante la reaccion peritectica.

SISTEMAS BINARIOS MONOTÉCTICOS

La reaccion monotectica, en la cual una fase liquida se transforma en una fase solida y en otra liquida como enfriamiento cooling.

En un determinado margen de composiciones, los dos liquidos son inmiscibles como ocurre con el aceite en el agua y, por tanto, constituyen fases individuales.

Diagrama Hierro Carbón

Diagrama hierro cardón

En el diagrama de fases Fe-C, se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

ACERO Uno de los materiales de fabricación y

construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos.

Sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones.

HIERRO

Es necesario conocer previamente las transformaciones estructurales (alotrópicas) del hierro cuando se cambia su temperatura, los cuales son:

HIERRO ALFA

HIERRO BETA

HIERRA GAMA

HIERRO DELTA

INTRODUCCIÓN AL DIAGRAMA DE FASE Tomando como base el diagrama metaestable hierro-carbono, se denominan aceros a las aleaciones binarias con contenidos en carbono menor que 1,76%, mientras que las fundiciones de hierro tienen contenidos en carbono superiores a 1,76% (hasta aproximadamente 6,67%). Las lineas que delimitan las diferentes regiones del diagrama hierro-carbono identifican las situaciones en las que tienen lugar cambios estructurales: Las temperaturas de transformación se denominan temperaturas críticas, existiendo así tres temperaturas de especial interés

HIERROS

ALFA: Temperatura inferior a 768°C. BCC. Espacios interatómicos muy pequeños. Recibe el nombre de ferrita.

BETA: Similar al hierro alfa. No es magnético. De poco interés mecánico y metalográfico.

GAMA: Entre temperaturas de 900°C y 1400°C. FCC. Puede disolver hasta 2% de Carbono. Recibe el nombre de austenita.

DELTA: Entre temperaturas de 1400°C y 1539°C. Por las altas temperaturas no tiene aplicación siderúrgica o estudio de tratamientos térmicos.

AUSTENITA Solución sólida de carbono en

hierro gama.

La máxima solubilidad de carbono sólido en ella es de 2.08% a 1148°C y disminuye a 0.8% a 723°C.

Tiene dureza de Brinell 300.

Su alargamiento es de 30% a 60%

Es poco magnética, blanda, muy dúctil y tenaz.

Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente mas denso de los aceros.

FERRITA Es hierro alfa, ósea hierro casi puro. Su dureza es de 90HB (Brinell). Su alargamiento es de 35% a 40%. Es el más blando de todos los

constituyentes del acero, muy dúctil , maleable y excelente maquinabilidad.

Es magnética a temperaturas inferiores de 768°C y no magnética entre 768°C y 910°C.

Su capacidad de disolver carbono es casi nula, de 0.022%.

CEMENTITA También llamada carburo de

hierro, contiene 6.67% de Carbono y 93.33% de Hierro.

Es el constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono.

Su dureza es superior a 68HRc(Rockwell-C)

Es magnética a temperatura ambiente, pero no después de 218°C.

Por su gran dureza, queda en relieve después del pulido, pudiendo conocerse el contorno de los granos o de las láminas.

PERLITA

Es una mezcla ferritica alfa y cementita en láminas paralelas, producida por la descomposición eutoctonica de la austenita.

Presenta alargamiento de hasta 15%.

Tiene gran resistencia.

• 𝛄𝛄 = 𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀 • 𝛂𝛂 = 𝐟𝐟𝐀𝐀𝐟𝐟𝐟𝐟𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀 • 𝛅𝛅 = 𝐡𝐡𝐀𝐀𝐀𝐀𝐟𝐟𝐟𝐟𝐡𝐡 𝐝𝐝𝐀𝐀𝐝𝐝𝐀𝐀𝐀𝐀 • 𝛂𝛂 + 𝐅𝐅𝐀𝐀𝟑𝟑𝐂𝐂 = 𝐩𝐩𝐀𝐀𝐟𝐟𝐝𝐝𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀𝐀 • 𝐅𝐅𝐀𝐀𝟑𝟑𝐂𝐂= cementita

Puntos de invariantes

Reacción eutoctoide

Reacción eutéctica

Reacción peritectoide

Ferrita: tiene una forma cristalina cubica centrada en el cuerpo (BCC). Unas de sus aplicaciones es en los imanes permanentes con aleaciones con cobalto y bario

1 Austenita: tiene una estructura cubica centrada en las caras (FCC).

2 Cementita:También se llama Carburo de Hierro. Es un compuesto intermetálico. Es una fase muy dura y frágil.

3 Perlita: Es una fase que resulta de la reacción eutectoide del acero. La reacción eutctoide permite que la austenita en estado sólido se transforme de ferrita y cementita, ambas en estado sólido. Esta fase tiene una apariencia similar al sólido eutéctico.

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Tipos de fundiciones: Fundición blanca Fundición maleable Fundación gris Fundación nodular Otro tipo de clasificación de los aceros:

• Acero bajo de carbono: menor de 0.2% de carbono su microestructura está formada principalmente de ferrita • Acero medio carbón: su porcentaje en carbón está entre 0.2% y 0.5%. su microestructura está formada por la mezcla de

ferrita y perlita. • Acero de alto carbón: su porcentaje de carbono es mayor al 0.5%

Clasificación de los aceros: Cuando tiene <0.8% es acero hipoeutectoide Contiene perlita y ferrita (𝛼𝛼 + 𝐹𝐹𝐹𝐹3𝐶𝐶) + 𝛼𝛼 Cuando tiene 0.8% es acero eutectoide Contiene perlita 100% (𝛼𝛼 + 𝐹𝐹𝐹𝐹3𝐶𝐶) Cuando tiene >0.8% es acero hipereutectoide Contiene perlita y cementita ((𝛼𝛼 + 𝐹𝐹𝐹𝐹3𝐶𝐶) + 𝐹𝐹𝐹𝐹3𝐶𝐶)