Ciencia de los Materiales

2015-1

SOLUBILIDAD EN EL ESTADO

SÓLIDO DE LOS METALES

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Expresión de un aleación (caso Ag-Cu)

Si es % en peso: 8 % Ag → de cada 100 g de aleación, 8 g de

Ag y 92 g de Cu.

Si es % atómico: 6 % Ag → de cada 100 átomos, 6 son de Ag.

Si se conoce una expresión, se puede conocer la otra !

Regla de las fases • Fase (P): parte homogénea de un sistema separados de otras

por una superficie límite.

• Componente (C): elementos que forman el sistema. • Metales puros.

• Compuestos químicos que no se disocian.

• Grado de libertad (F): 3 variables que definen el sistema

(Presión, Temperatura y % de composición).

F = C – P + 2 (Ley de Gibbs)

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Se suele trabajar a presión constante →

F = C – P + 1

1

0

2

3

0

1 2

3

Metal puro Aleación (Cu-Ni)

0→1: C=1, P=1 → F = 1

Para definir el sistema se debe

fijar la temperatura.

1→2: C=1, P=2 → F = 1-2+1= 0

La Tf a Patm ya está definida, no

lo podemos modificar.

0→1: C=2, P=1 → F = 2-1+1 = 2

Sistema bivariante.

Para definir el sistema debo fijar

la composición y la temperatura.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Condiciones de equilibrio

• En condiciones de equilibrio, se tiene un enfriamiento

muy lento durante una transformación. Es posible

entonces un reajuste continuo de las composiciones mediante

la difusión en estado sólido a medida que la temperatura

desciende.

• En condiciones fuera de equilibrio, el enfriamiento es

demasiado rápido como para que los átomos se difundan y

establezcan las condiciones de equilibrio.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Diagramas de fases (diagramas de equilibrio)

DEFINICIONES:

• Es un modelo gráfico (bidimensional) de un sistema de

aleación que muestra las fases que deben existir en

condiciones de equilibrio termodinámico para cualquier

combinación específica de composición y temperatura.

• Muestra las fases presentes a medida que varía la

temperatura y la composición de un sistema de aleación en

condiciones de equilibrio.

• Es un diagrama que muestra la relación entre la temperatura,

la composición y la microestructura de una aleación

cualquiera de un sistema de aleación, obtenidas estas en

condiciones de equilibrio.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Construcción de diagramas de fases

Tf A

Tf B

x

x x

x

Serie de curvas de enfriamiento para diferentes aleaciones en un sistema completamente soluble.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Diagrama de fase de dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido.

L

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Aplicaciones de los diagramas de fases (ver Fig. siguiente)

1. Conocer las fases presentes:

Punto 1: L; Punto 2: L + α y Punto 3: α

2. Conocer la composición de las fases:

• Cuando hay una sola fase, la composición de esa fase es

la misma que la de la aleación.

• Cuando hay dos fases, aplicar la regla de la horizontal

por el punto donde coexisten las dos fases (Punto 2):

L: 20% Ni (y 80% Cu) y fase α: 35% Ni.

En la horizontal, fijada la temperatura, queda automática-

mente fijada la composición de las fases presentes en la

horizontal.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Aplicaciones de los diagramas de fases (cont.)

Aleación Cu - Ni

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Aplicaciones de los diagramas de fases (cont.)

3. Conocer la cantidad de las fases: usando la regla de la

palanca, las cantidades relativas de las fases que coexisten

en un área del diagrama, son inversamente proporcionales a

las “longitudes relativas” de los segmentos que definen la

recta horizontal de temperatura y los límites del área (campo)

que forman dichas fases.

66,7%

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Tipos de diagramas de fases de acuerdo a la

solubilidad

1. Dos metales completamente solubles en estados líquido y sólido.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

2. Dos metales completamente solubles en estado líquido y completamente insolubles en estado sólido.

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Solubilidad en el estado sólido de los metales

Solubilidad en el estado sólido de los metales

3. Dos metales completamente solubles en estado líquido pero parcialmente solubles en estado sólido (caso más común).

Solubilidad en el estado sólido de los metales

TRANSFORMACIONES DE

FASE EN EL ESTADO SÓLIDO

DE LOS METALES

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

En estado sólido se conocen dos tipos de transforma-

ciones de fase: las difusivas y las desplazativas.

Las primeras son controladas por la difusión, mientras

que las segundas obedecen a movimientos

cooperativos de átomos que se desplazan distancias

del orden del parámetro de red.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

1. Transformaciones difusivas

Este tipo de transformaciones son las más generalizadas:

- Transformaciones alotrópicas,

- Transformaciones de ordenación (transformación

orden-desorden),

- Reacción eutectoide y

- Reacción peritectoide.

Todas estas transformaciones obedecen a mecanismos de

difusión de átomos en la fase original para dar lugar a

embriones (formados por muy pocos átomos) de la nueva

fase.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Transformaciones alotrópicas Se destacó anteriormente que diversos metales pueden

existir en más de un tipo de estructura cristalina,

dependiendo de la temperatura (caso del Fe, Sn, Mn y el

Co).

(magnético T< 768 ºC) (hasta

76

8 º

C, lu

eg

o

β h

as

ta 9

12 º

C)

(δ)

T amb

(Fe-α)

CCCu

1394 ºC

(Fe- δ)

CCCu

912 ºC

(Fe-γ)

CCCa

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Curva de formas alotrópicas del hierro puro Fe

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Transformaciones de ordenación (transformación orden-desorden)

Al formarse una solución sólida de tipo sustitucional, los átomos

de soluto generalmente no ocupan ninguna posición específica,

sino que están distribuidos al azar en la estructura reticular del

solvente. En este caso, la aleación está en condición

“desordenada”.

+ enfriamiento lento Los átomos de

soluto se mueven a

posiciones definidas

dentro de la red

“solución sólida

ordenada” o “super-

red”.

Es más común en

metales completa-

mente solubles en el

estado sólido.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

• Cuando la fase ordenada tiene la misma estructura reticular

que la fase desordenada, el efecto de ordenamiento sobre las

propiedades mecánicas es despreciable.

• El endurecimiento asociado con el proceso de ordenamiento

es más pronunciado en aquellos sistemas en que la forma de

la celda unitaria cambia por ordenamiento.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Reacción eutectoide

Esta es una reacción común en el estado sólido. En este caso,

una fase sólida se transforma, al enfriarse, en dos fases sólidas

nuevas.

La reacción eutectoide se define formalmente como aquella

reacción isotérmica reversible en la que una fase sólida

(generalmente una solución sólida) se convierte al enfriar en dos

o más sólidos íntimamente mezclados y cuyo número de sólidos

formados es el mismo que el de componentes del sistema.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Diagrama de fase

que muestra la

reacción

eutectoide.

Punto N: “punto

eutectoide” a la

temperatura

eutectoide.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Curva de enfriamiento

para la Aleación 1

Microestructura de una aleación

hipoeutectoide enfriada lentamente

(Aleación 1 )

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Reacción peritectoide

Esta es una reacción medianamente común en el estado sólido

y aparece en muchos sistemas de aleación.

La nueva fase sólida suele ser una aleación intermedia; pero

puede ser también una solución sólida.

La reacción peritectoide se define formalmente como aquella

reacción isotérmica reversible en la que una fase sólida

reacciona con una segunda fase sólida para producir una

tercera fase al enfriar.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Diagrama de fase que muestra la formación de una fase intermedia ɣ por una reacción peritectoide.

Diagrama de fase que muestra la formación de la solución terminal sólida ɣ por una reacción peritectoide.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Reacciones de un diagrama en equilibrio

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

2. Transformaciones desplazativas

El segundo tipo de transformaciones en estado sólido

es el de transformaciones de fase sin difusión, también

llamadas transformaciones desplazativas o

martensíticas.

Estas transformaciones son de tipo orientado, es decir,

pueden considerarse como el desplazamiento de cierto

volumen del cristal por un plano determinado,

existiendo un movimiento cooperativo de átomos que

se desplazan distancias del orden del parámetro de red

y sin que se alteren sus posiciones relativas.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Transformación difusiva Transformación desplazativa

Muestra inicial

Existe correspondencia entre los átomos del estado inicial y final del proceso

Mezcla de átomos, no hay correspondencia entre estado inicial y final

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Características de la transformación desplazativa:

• Ausencia de difusión (la nueva fase tiene composición

idéntica a la inicial).

• Nueva orientación (la fase martensítica está orientada

respecto a la inicial).

• Dependen de la temperatura y no del tiempo.

• Es prácticamente instantánea al ser el desplazamiento

relativo muy pequeño. Transcurre a velocidades del orden de

la propagación del sonido en el cristal.

Estas transformaciones son similares al maclado,

diferenciándose de este en que la fase martensítica

posee una red distinta, mientras que las zonas macladas

tiene idéntico retículo.

Transformaciones de fase en estado sólido de los metales

Mecanismo de la transformación desplazativa: Cizallamiento coordinado de la red cristalina desplazamiento

atómico menor que la distancia entre átomos la fase inicial y

la final tienen la misma composición.

Distorsión de Bain

CASO: Distorsión de

Bain.

CCCa → CCCu

Compresión en el eje

C y expansión de los

ejes a de la base.

Fin