capitulo 7 diagrama de fases

Ingeniería de materiales 1

Capítulo 7. ENDURECIMIENTOPor deformación y recocidoPor solidificación y procesamientoPor solución sólida (transformaciones de fases)

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN Y RECOCIDO• Trabajado en frío: la aleación se deforma y endurece• Trabajado en caliente: la aleación se deforma sin endurecerse• Recocido: se eliminan o modifican los efectos causados por el trabajado en frío

En este punto el material no se puede volver a deformar (no existe ductilidad)ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

Trabajado en frío

𝜎 𝑡=𝐾 𝜀𝑡𝑛


ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN Trabajado en frío

ANISOTROPÍA LAS PROPIEDADES DEPENDEN DE LA DIRECCIÓN EN QUE SE LAS MIDE

ESFUERZOS RESIDUALESfracción (10%) del esfuerzo aplicado queda almacenada en la estructura a la forma de dn


RECOCIDO tt que permite eliminar los efectos del trabajado en frío(se recupera la ductilidad y eliminan los esfuerzos residuales))

RECUPERACIÓN: reordenamiento de la dn (poligonización), reducción de los residualesRECRISTALIZACIÓN:nucleación y crecimiento de nuevos granos con pocas dn (baja resist. pero alta ductilidad)CRECIMIENTO: a temperatura mayor los granos crecen (no deseado)


TEMP. DE RECRISTALIZACIÓN(0.4 Tf)• Disminuye con la cantidad de

trabajado en frío• Disminuye a menor tamaño de

grano (más LG para la nucleación)• Aumenta en aleaciones respecto de

un metal puro


ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN Trabajado en caliente (T superior a la T recristalización)

• ausencia de endurecimiento por deformación• recristalización continua de los granos

• Eliminación de imperfecciones: poros diferencias de composición (segregación)

• Anisotropía desde la superficie al centro (ej. Rodillos más fríos que el centro de la pieza- precalentamiento)

• Acabado superficial deficiente (oxidación de la superficie que luego difundirá al interior) (atmósfera controlada)


ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA -TRANSFORMACIONES DE FASES

FASE (SÓLIDA, LÍQUIDA O GASEOSA)• Porción de materia con igual estructura o arreglo atómico• Aproximadamente una misma composición y propiedades• Interfase definida entre una fase y cualquier otra que la rodea

DIAGRAMA DE FASES• Muestra campos de estabilidad de las fases a diferentes composiciones y temperatura en condiciones

de enfriamiento lento (equilibrio)• Muestra la solubilidad (en estado sólido y en equilibrio) de un elemento o compuesto en otro• Muestra la temperatura de solidificación y de fusión


REGLA DE LAS FASES DE GIBBS permite determinar el n° de fases que coexisten en el equilibrio en cualquier sistema

P + F = C + 2

P= n°de fases que coexisten en un sistema dadoF=grados de libertad o n° de variables (presión, temperatura y composición) que sepueden cambiar independientemente sin alterar el estado de la fase o de las fases en equilibrioC=n° de componentes del sistema (elemento, compuesto o solución2= tanto la temperatura como la presión pueden cambiar1= presión constante, se puede variar sólo la temperatura

Magnesio Punto A C=1, P=1, F=1+2-1=2 (P o T

o ambas pueden ser modificadas dentro de cierto rango)Punto B C=1, P=2, F=1+2-2=1 (puede modificarse independientemente una variable)Punto C C=1, P=3, F=1+2-3=0 (no se puede modificar ninguna variable) INVARIANTE O PUNTO TRIPLE

C

P + F = C +1

Se aplica sólo a estados de equilibrio


SOLUCIONES Y SOLUBILIDAD

Solubilidad ilimitada (condiciones de Hume-Rothery)• factor de tamaño: los átomos deben ser de tamaño similar r1/r2<15% (minimización de

deformaciones en la red)• estructura cristalina: los materiales deben tener igual estructura cristalina (transición de una

fase a otra)• los átomos deben tener la misma valencia (formación de compuestos)• electronegatividad similar

ss Cu-Ni

ss Cu-Zn

Compuesto de Cu y Zn

Al solidificar los átomos de Cu y Ni se ubican de manera aleatoria


Mayor diferencia en el radio atómicomayor distorsión mayor endurecimiento (resistencia al deslizamiento)Mayor cantidad del elemento aleante mayor endurecimiento hasta alcanzar el límite de solubilidadendurecimiento por pp

Cu-20%Ni o Cu-10%Ni?

ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA


Solubilidad sólida ilimitadaTemperatura de liquidus: sobre esa temperatura aleación líquidaT=Tliquidus la aleación comienza a solidificarCu-40%Ni Tliquidus = 1280°CTemperatura de solidus: bajo esa temperatura aleación sólidaCu-40%Ni Tsolidus = 1240°CRango de solidificación: coexisten las fases líquida y sólidaFase sólida (ss de átomos de Cu y Ni de igual estructura cristalina FCC, radios atómicos y electronegatividades similares, iguales valencias)Cu-40%Ni=Tliquidus –Tsolidus=1280-1240=40°C

DIAGRAMA DE FASES ISOMORFO (una fase sólida)

Sistema Cu-Ni


Determinar los grados de libertad en una aleación Cu-40% Ni a 1300°C, 1250°C, y 1200°C.1300°C P=1, C=2, F=2 fijar T y composición1250°C P=2, C=2, F=1 al fijar T quedan definidas la composición de ambas fases o si se fija la composición de una fase quedan fijas la temperatura y la composición de la segunda fase1200°C P=1, C=2, F=2 se debe fijar T y composición

COMPOSICIÓN DE CADA FASE

Sistema Cu-Ni

P + F = C +1


Determinar la composición de cada fase en una aleación Cu-40%Ni a 1300°C, 1270°C,1250°C, y 1200°C.1300°C sólo fase líquida de 40%Ni1270°C dos fases: sólida 50%Ni, líquida L 37%Ni1250°C dos fases: sólida 45%Ni, líquida L 32%Ni 1200° una fase sólida 40%Ni

COMPOSICIÓN DE CADA FASE

Sistema Cu-Ni

P + F = C +1


Determinar las cantidades de y L a 1250°C en la aleación Cu-40%Ni

CANTIDAD DE CADA FASE (REGLA DE LA PALANCA)

% fase =segmento opuesto de la palancalongitud total de la isoterma

x100


Composición 65%Cu-35%Ni 1300°CNucleación heterogéneapoco o nulo subenfriamientoa líquido 65%Cu-35%Ni b Primer sólido en formarse (46%Ni) difusión las composiciones de las fases sólida y líquida sigan las curvas de solidus y liquidus (el %Ni aumenta pues los átomos de Ni difunden y se concentran en el primer sólido que se forma)c fase líquida (32%Ni) y fase sólida (43%Ni) átomos de Ni difunden desde el líquido hasta la nueva fase sólida y átomos de Cu se concentran en el líquido restante. Este proceso continúa hasta llegar a la temperatura de solidus.d fase sólida 35%Ni y 65%Cue la fase sólida debe tener una concentración de 35%Ni.Velocidad de enfriamiento extremadamente lentaDIFUSIÓN (ESTRUCTURA DE EQUILIBRIO)

SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN DE SOLUCIÓN SÓLIDA LIMITADA

Sistema Cu-Ni


Composición 65%Cu-35%Ni 1300°CNucleación heterogéneapoco o nulo subenfriamientoa’ líquido 65%Cu-35%Ni b’ Primer sólido en formarse (46%Ni)c’ fase líquida (29%Ni) fase sólida periférica (46%Ni) y central (40%Ni) (difusión lenta). Composición promedio genera una nueva línea solidus. (por regla de la planaca la cant. De líquido en condiciones de no eq es mayor que en condiciones de eq)d’ la solidificación aún no se completa (desplazamiento de la línea solidus) f’ solidificación completa con segergación en la fase sólidaVelocidad de enfriamiento rápido (ESTRUCTURA DE NO EQUILIBRIO)

SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN DE SOLUCIÓN SÓLIDA LIMITADA (SOLIDIFICACIÓN FUERA DE EQUILIBRIO)

Sistema Cu-Ni

Tratamiento térmico de homogeneización a temperatura bajo la línea de solidus•difusión de Ni desde el centro hacia el borde (mayor a menor concentración)


Ejemplo. Calcular la composición y cantidad de cada fase en una aleación Cu-40%Ni en condiciones de no equilibrio a 1300°C, 1280°C, 1260°C, 1240°C, 1200°C y 1150°C. Compare las composiciones y cantidades de equilibrio en cada fase.

SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN DE SOLUCIÓN SÓLIDA LIMITADA

Sistema Cu-Ni


•temperatura ambiente hay sólo una fase sólida•propiedades mecánicas dependen de la composición (temperatura, tamaño de grano, deformación, tec. constantes)•composición crítica

PROPIEDADES MECÁNICAS DE UNA ALEACIÓN ISOMORFA

Sistema Cu-Ni

Temperatura ambiente

Diagrama binario eutéctico

•Tres regiones monofásicas: líquida L, sólidas (rica en Cu) y ( rica en Ag)•Tres regiones bifásicas: +L, +L y +•ABClímite de solubilidad de Ag en la fase en las regiones / +L y / + aumenta con la temp. smáx=8%Ag a 779°C disminuye con la temp. smín=0%Ag a 1085°C •FGHlímite de solubilidad de Cu en la fase en las regiones / +L y / + aumenta con la temp. smáx=8.8%Cu a 779°C disminuye con la temp. smín=0%Cu a 962°C• BEG (ISOTERMA EUTÉCTICA)entre las

posiciones de máxima solubilidad de y (menor temperatura en que la fase líquida L puede estar en equilibrio con la aleación Cu-Ag)

• Líneas liquidus AE y liquidus EF temperatura de fusión de la aleación en presencia de Ag y Cu, respectivamente (mínima en el punto E)

• Punto E (invariante) CE=71.9%Ag TE=779°C

L (71.9%Ag)

• La solidificación se completa a TE

• Solidificación de un eutécticobifásico

TfusiónCu

TfusiónAg

Solvus

Solidus

Liquidus

Liquidus

enfriamiento

calentamiento (7.9%Ag)+ (91.2%Ag)

REACCIÓN EUTÉCTICA

Solidus

enfriamiento

calentamiento (CE)+ (CE)L(CE)

Desarrollo de estructuras en aleaciones eutécticas (EQUILIBRIO)

•Región de máxima solubilidad de Sn en Pb 0-2%Sn•Punto a fase líquida L (C1 % Sn)•Línea liquidus primer sólido en formarse •Punto b +L•Punto c fase sólida (ss rica en Pb) C1%Sn

•Región del límite se solubilidad de Sn a temperatura ambiente y la máxima solubilidad sólida de Sn en Pb a la temperatura del eutéctico (2% a 19.2%Sn)• Punto d fase líquida L (C2 % Sn)•Línea liquidus primer sólido en formarse •Punto e +L•Punto f fase sólida (ss rica en Pb) C2%Sn•Punto g fase sólida (ss)+(ss). La fase (rica en Sn) a la forma de pequeñas partículas dispersas en la fase que aumentan en tamaño al seguir enfriando (regla de la palanca)


•Composición eutéctica 61.9%Sn•Punto h fase líquida L (CE % Sn)•Punto i (bajo la temperatura eutéctica) fase sólida (ss)+(ss)

Estructura eutéctica•. La fase (rica en Sn) a la forma de pequeñas partículas dispersas en la fase que aumentan en tamaño al seguir enfriando (regla de la palanca)

enfriamiento

calentamiento (18.3%Sn)+ (97.8%Sn)

L(61.9%Sn)

Fase (ss rica en Pb)

Fase (ss rica en Sn)


•Composición C4 40%Sn• Punto j fase líquida L ( C4 40%Sn)•Punto l fase sólida (ss rica en Pb 18.3%Sn) y fase líquida L (61.9%Sn)•Punto m fase sólida (ss 18.3%Sn)+(ss 97.8%Sn) + eutéctica (18.3%Sn).

Fase primaria

Fase zona clara (ss rica en Sn)

50% Pb-50%Sn

Fase zona clara (ss rica en Sn)

•Determinación las fases en el punto m•% eutéctico=(X/X+Y)*100•% primaria =(Y/X+Y)*100•% =((X+Y)/(X+Y+Z))*100•% total=((Y+Z)/(X+Y+Z))*100

X Y Z

Diagramas de fases con formación de fases o compuestos intermedios

•Dos ss terminales (próximas a las composiciones extremas) y y seis ss intermedias , , , •Líneas punteadasposición no determinada (baja velocidad de difusión)

50% Pb-50%Sn

Diagramas de fases con formación de fases o compuestos intermedios

•Formación de un compuesto intermedio (intermetálico) Mg2PB (81%Pb 19%Mg)• Punto j fase líquida L ( C4 40%Sn)•ss (alta solubilidad de Pb en Mg) y ss (solubilidad limitada de Mg en Pb)

50% Pb-50%Sn

Una fase sólida se transforma en dos fases sólidas

enfriamiento

calentamientog+

Reacción eutectoide

Una fase sólida más una fase líquida se transforman en una fase sólida

enfriamiento

calentamiento + L

Reacción peritéctica

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