clase 8a - solubilidad
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CURSO: INGENIERÍA DE MATERIALES DOCENTE: Ing. Sofía Terrones Abanto
TEMA: DIAGRAMAS DE FASE I.
INGENIERÍA INDUSTRIAL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE
TRUJILLO
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Una fase tiene las siguientes características:
La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material.
Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior.
Hay una interface definida entre la fase y cualquiera de las otras fases
circundantes.
Definición de Fase
Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es
físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de
tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción.
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Fase
Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una región
que difiere en estructura y/o composición de otra región.
agua
Agua líquida
Hielo
Vapor de agua
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Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema
de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:
Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones
de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se
presenta la solidificación.
Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
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Diagramas de fases de sustancias puras
Una sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida y vapor,
dependiendo de las condiciones de temperatura y presión.
Diagrama de fases en
equilibrio presión -
temperatura para el agua
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Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de
composición variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:
Solubilidad total (completa)
Solubilidad parcial o limitada
Insolubilidad total
Mezcla: formada por dos o más fases, cuyas características se mantienen
cuando se forma la mezcla.
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a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleaciones
sólidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que
contienen más de 30% de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad
limitada del Zn en el Cu
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TIPOS DE SOLUCION SOLIDA
Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas especies
químicas, se dividen en dos tipos:
a) INTERSTICIALES
Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar espacios
abiertos entre átomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una
SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL.
b) SUSTITUCIONAL.
Es cuando los átomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos
reticulares del solvente, siendo la distribución al azar.
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Solución sólida sustitucional: los
átomos de B ocupan posiciones de
la red A
Solución sólida intersticial: los
átomos B ocupan posiciones
intersticiales de la red A
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Soluciones sólidas sustitucionales:
En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen en
términos de posición, a los átomos de la matriz.
Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida
ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de
Hume- Rothery:
El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más del
15%,para minimizar la deformación de la red.
Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no debe haber
diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento.
Los elementos deben tener la misma valencia.
La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe ser la
misma
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REGLA DE LAS FASES
2 + C = F +P
C= Número de componentes químicamente independientes
F= Número de grados de libertad.
P= Número de fases presentes.
2 = Implica que la temperatura y la presión varíen.
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Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en
cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.
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a) Temperatura liquidus y solidus
b) Fases presentes
c) Composición de cada fase
d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
e) Solidificación de aleaciones
Información de los diagramas de fases
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a) Temperatura liquidus y solidus
La temperatura liquidus o de
líquido se define como aquella
arriba de la cual un material es
totalmente líquido.
La temperatura solidus o de
sólido, es aquella por debajo de la
cual esa aleación es 100% sólida
La diferencia de temperaturas entre
la de líquido y la de sólido es el
intervalo de solidificación de la
aleación
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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.
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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 sólo
una fase en la aleación, la
composición de la fase es igual a la
composición general de la aleación.
Cuando coexisten dos fases, como
líquido y sólido, la composición de
ambas difiere de la composición
general original.
Usualmente la composición está
expresada en porcentaje en peso.
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c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o
isoterma para determinar la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es
una línea horizontal en una región
de dos fases, que se traza a la
temperatura de interés.
Los extremos de la isoterma
representan la composición de las
dos fases en equilibrio.
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d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de fases
del cobre-níquel y la aleación de
composición C0 a 1250°C, donde
C y CL representan la
concentración de níquel en el
sólido y en el líquido y W y WL
las fracciones de masa de las
fases presentes.
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La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de
conservación de la masa:
En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las fracciones
de las fases presentes debe ser la unidad:
1WW L
En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir
con la masa total de la aleación
0LL CCWCW
Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la
expresión de la regla de la palanca para esta situación particular
L
0L CC
CCW
L
L0
CC
CCW
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En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:
100xenlacedelínealadetotallongitud
opuestopalancadebrazofasedePorcentaje
Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos fases
de un diagrama de fases binario.
Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una fase en una
mezcla de dos fases.
Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es decir,
la concentración química de los distintos componentes)
EJERCICIO 01:
EJERCICIO 02:
EJERCICIO 03:
Comp. Liq= 32% de Ni e 68% de CuComp. Sol. = 45% de Ni e 55% de Cu
SISTEMA Cu-NiDETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS FASES
SISTEMA Cu-NiDETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE FASES PRESENTES
• COMPOSICIÓN DE FASES
• CANTIDAD DE CADA FASEFase líquida
Fase sólida
Comp. Liq= 31,4% Ni e 68,9%CuComp. Sol. = 42,5,4 %Ni e %57,5Cu
L = S R+S
S = R R+S
L = C-C0
C-CL
L = Co-CL
C-CL
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Ejemplo
Para las aleaciones NiO-40% mol MgO.
a) Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo de solidificación
b) Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cada fase a 2400 ºC