DIAGRAMAS DE FASE O DE EQUILIBRIODIAGRAMAS DE FASE O DE EQUILIBRIO

Introducción:

Las propiedades mecánicas de los materiales ingenieriles Las propiedades mecánicas de los materiales ingenieriles dependen fuertemente de su microestructuradependen fuertemente de su microestructura. Por esto, los ingenieros deberán poseer un conocimiento básico de cómo se forman las microestructuras y como estas estructuras influencian las propiedades del material.

El proposito de este estudio es brindar entendimiento de las transformaciones de fasestransformaciones de fases que deben realizarse proximas al equilibrio (condiciones de enfriamientos muy lentos), por lo que los diagramas de fases pueden ser utilizados como una ayuda en la interpretación de la microestructura.

Un diagrama de fases binario muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos elementosdos elementos en un rango de temperaturasrango de temperaturas.

La composición se muestra desde el 100% del elemento A a la izquierda del diagrama hasta el 100% del elemento B a la derecha del mismo. La composición de la aleación esta dada en la forma de A - x%B . Por ej.: Cu - 20%Al es 80% de cobre y 20% de aluminio.Para especificar las proporciones se pueden utilizar porcentajes en peso o porcentajes atómicos.

composición

tem

pera

tura

Las aleaciones tienden a solidificar en un rango de temperaturas, más que en una temperatura específica como en los elementos puros.

En los extremos del diagrama solamente existen elementos puros (100% A o 100% B) por lo que existen puntos de fusión especificos de cada uno.

.Algunas veces hay una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una unica temperatura como un elemento puro, este punto se llama punto eutéctico,

Algunos diagramas de fase para aleaciones binarias simples no tienen puntos eutécticos.

Punto de fusión de A puro

composición

Punto de fusión de B puro

Punto eutécticotem

pera

tura

Si enfriamos desde el estado líquido diferentes composiciones de la aleación, registramos las temperaturas a las cuales comienzan la solidificación, y se grafican en el diagrama de fases, se puedeobtener una curva de comienzo de solidificación. Esta curva unirá los tres puntos de solidificación simples y se llama linealinea de de liquidusliquidus.

composición

líquido

Punto eutécticotem

pera

tura

De la misma forma que el azucar se disuelve en te caliente (solucisolucióón n llííquidaquida) es posible que un elemento se disuelva en otro mientras que ambos permanecen en estado sólido. Esto se llama solucisolucióón sn sóólidalida y en general se produce hasta un pequeño porcentaje en peso. El límite de solubilidad cambia normalmente con la temperatura.

Por ejemplo a la solución sólida de B en A (casi todo A) se la llama αmientras que a la solución sólida de A en B ( casi todo B) se la llama β.

Algunos elementos tienen solubilidadsolubilidad cerocero como por ejemplo en Al-Sidonde el Al tiene solubilidad cero en el Si.

tem

pera

tura

composición

líquido

Punto eutéctico

Línea de solidus

Linea de solvus

SolucionesSoluciones ssóólidaslidas α α y y ββ == fasesfases terminalesterminalesLínea eutéctica = temperatura eutécticaαα o ββ + + llííquidoquido = = regiregióónn bifasicabifasica ( ( solidosolido y y llííquidoquido))αα + ββ = = regiregióónn bifbifáásicasica ( ( mezclamezcla ssóólidalida))

composición

tem

pera

tura

líquido

líquidolíquido

Punto eutéctico Linea eutectica

Un Un diagramadiagrama de de fasefase eses un un mapamapa de de temperaturatemperatura –– composicicomposicióónn quequeindicaindica laslas fasesfases presentespresentes a a unauna dada dada temperaturatemperatura y y composicicomposicióónn.

Esto se determina experimentalmente registrando las velocidades de enfriamiento en un rango de composiciones.

composición

tem

pera

tura

líquido

líquidolíquido

Punto eutéctico Linea eutectica

Preguntasa)a) Qué sucede en el punto Qué sucede en el punto eutécticoeutéctico??

1) Alfa comienza a precipitar

2) Beta comienza a precipitar

3) El líquido solidifica completamente para formar alfa y beta.

4) Nada de lo anterior

b) La fase alfa esLa fase alfa es::

1) “A” sólido

2) Una mezcla de A sólido y A líquido

3) Un poco de A disuelto en un sólido que mayoritariamente es B

4) Un poco de B disuelto en un sólido que mayoritariamente es A

composición

tem

pera

tura

líquido

líquidolíquido

Punto eutéctico Linea eutectica

c) A qué temperatura se observa la máxima solubilidad de B en AA qué temperatura se observa la máxima solubilidad de B en A?

1) En el punto de fusión de alfa.

2) En el punto de fusión de beta

3) A la temperatura eutéctica

4) Ninguna de las anteriores

d) Cuál es la máxima solubilidad en la solución sólida alfa?d) Cuál es la máxima solubilidad en la solución sólida alfa?

1) 50% (peso)A - 50% (peso) B

2) 90% (peso) A - 10% (peso) B

3) 10% (peso) A - 90% (peso) B

4) Ninguna de las anteriores.

composición

tem

pera

tura

líquido

líquidolíquido

Punto eutéctico Linea eutectica

Cuando enfriamos como se indica en el diagrama el resultado es unamezcla de alfa y líquido,. QuQuéé composicionescomposiciones exactas tendran a esa temperatura?

composición

líquido líquido

líquidote

mpe

ratu

ra

Los extremos de la linea conodal muestran las composiciones de las dos fasesque existen en equilibrio a esa temperatutra .

La linea conodal muestra que la fase alfa tiene una composición de 5,2% de B y la fase líquida 34,5% de B a esa temperatura.

Se recuerda que la composición total de la muestra no cambia. Solo estamosanalizando las composiciones de las fases constituyentes dentro de la muestra.

La isoterma(temperatura constante) que cruza una regiónbifasica se la llama linealinea conodalconodal .

Línea conodal

líquidolíquido

líquido

tem

pera

tura

tem

pera

tura

líquidolíquido

líquido

Si enfrio desde a la composición C0 desde Tx, las lineasconodales pueden ayudar a contestar las preguntas:

•Que fases hay presentes?

Las fases seran las que estan en los extremos de la Lineaconodal.

•Cuales son sus composiciones?

líquidolíquido

líquido

tem

pera

tura

• Si la temperatura se reduce hasta Ty, como varian las composiciones de las fases?

Se construye una nueva linea conodal.

Observar que ambas fases se van enriqueciendo en A al enfriarse.

líquidolíquido

líquido

tem

pera

tura

Sabiendo las composiciones de las fases la Regla de la Regla de la PalancaPalanca: me permite conocer cuanto de cada fase existe a una dada temperatura (relación entre fases).

De un balance de masa tenemos :

C0 = fα . Cα + (1− fα) . CLiq

Reordenando:

C0 − Cliq = fα (Cα − Cliq)tem

pera

tura

líquido

líquidolíquido

But... which equation corresponds to which phase ?

Basicamente las proporciones de las fases estan dadas por las longitudes relativas de los segmentos en la linea conodal.

____X___ e ____Y___

X + Y X + Y

líquido

líquido

Los segmentos contrarios representan a las fases.Los segmentos contrarios representan a las fases.

Observe como el sólido va aumentando su proporcion a expensa del líquido

líquido

líquido

Ejemplo:La fracción de alfa= (34.5 - 23.7) / (34.5 - 5.2) = 0.3686Asi el porcentaje de alfa sera= 0.3686 x 100 = 36.86%Y, como alfa y el líquido hacen el 100% de la composición de la aleación: Porcentaje de líquido = 100 - 36.86 = 63.14%

tem

pera

tura

líquido

líquido

Considere una aleación de composición C1, justo encima de la temperatura eutéctica. Qué fases están presentes?•Alfa y líquido

•Alfa , beta y líquido

•Beta y líquido

•Alfa y beta

Pregunta 1

tem

pera

tura

composición

líquido

líquido líquido

Considere una aleación de composición C1, justo encima de la temperatura eutéctica. Cuales son las composiciones aproximadas de las fases presentes en % en peso de B?•10 % peso de B y 90 % peso de B

•10 % peso de B y 50 % peso de B

•90 % peso de B y 50 % peso de B

•Ninguna de las anteriores

Pregunta 2

tem

pera

tura

composición

líquido

líquido líquido

Considere una aleación de composición C1, justo encima de la temperatura eutéctica. Cuales son las proporciones aproximadas de las fases?•70% alfa – 30 % líquido

•30% alfa – 70 % líquido

•10% alfa – 50 % líquido

• ninguna de las anteriores

Pregunta 3

tem

pera

tura

composición

líquido

líquido líquido

Microestructuras para una mezcla de composición eutéctica

Encima de la Temperatura eutéctica

tem

pera

tura

composición

líquido

líquido líquido

la aleación es totalmente líquida

A T2 comienza a nuclear

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquido líquido

La solidificación comienza en sitios de nucleación

Continua la nucleación y crecimiento de granos ( con diferentes orientaciones).

La composición eutéctica solidifica a una sola temperatura ( como un elemento puro) y no en un rango de T.

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquido líquido

los sitios de nucleación crecen y forman granos

Sólido Sólido eutécticoeutéctico

A pesar de ser un sólido las composiciones van cambiando cuando la mezcla se enfría ( los átomos difunden entre las laminas de alfa y beta muy lentamente), por esto el enfriamiento debe ser muy lento para que el proceso se produzca en el equilibrio.

tem

pera

tura

Composición aumentando B

líquido

líquido líquido

finalmente la aleación solidifica

Pregunta 1:

Cuál es la reacción eutéctica?Cuál es la reacción eutéctica?

• Liquido + alfa ⇒ beta

• Alfa ⇒ beta

• Liquido ⇒ alfa + beta

• Liquido ⇒ alfa + líquido

tem

pera

tura

Composición

Pregunta 2:

Una microestructura laminar tieneUna microestructura laminar tiene:

•Pocos límites entre fases

•Muchos límites entre fases

•Ningún límite de fase

•Nada de lo anterior

Pregunta 2:

Las dislocaciones individuales puedenLas dislocaciones individuales pueden:

• moverse fácilmente a través de los límites de fases

•No cruzar los límites de fases

•Moverse con dificultad a través de los límites de fases

•No existen en una microestructura eutéctica.

Pregunta 3:

La tensión de fluencia de una microestructura eutéctica será:La tensión de fluencia de una microestructura eutéctica será:

1- menor en algunas direcciones debido a que todas las dislocaciones tienen la misma orientación.

2- proporcional a la cantidad de las dos fases y sus respectivas tensiones de fluencia.

3- mayor que la respuesta anterior (2)

4- menor que la respuesta anterior (2)

Composición Composición hipoeutécticahipoeutéctica

tem

pera

tura

Composición

líquido

líquido líquido

Aleación totalmente líquida

tem

pera

tura

Composición

líquido

líquido líquido

la solidificación comienza en sitios de nucleación

Sólido αlíquido

tem

pera

tura

Composición

líquido

líquido

líquidoSólido α

los sitios de nucleación crecen y forman granos

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquido

nucleación de composición eutéctica

Sólido αSólido eutéctico

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquido

Sólido eutécticoSólido α

Granos de eutécticocontinúan nucleandoy creciendo

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquido

Sólido eutécticoSólido α

Finalmente la aleación entera solidificará

Aleación de Aleación de composcióncomposción hipereutécticahipereutéctica

tem

pera

tura

Composición

líquido

líquido líquido

Aleación totalmente líquida

tem

pera

tura

Composición

líquido

líquido líquido

la solidificación comienza en sitios de nucleación

líquidoSólido β

tem

pera

tura

Composición disminuyendo B

líquido

líquido

líquido

líquidoSólido β

los sitios de nucleación crecen y forman granos

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquidolíquido

Sólido eutécticoSólido β

nucleación de composición eutéctica

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquido líquido

Sólido eutécticoSólido β

los granos de eutécticocontinuan creciendo y nucleando

tem

pera

tura

Composición eutéctica

líquido

líquidolíquido

Sólido eutécticoSólido β

finalmente la aleación entera solidificará

tem

pera

tura

Composición

líquido

CuCu--AlAl

Cu Cu -- AlAl

tem

pera

tura

% peso Cobre

líquido

líquidolíquido

Consideremos dos aleaciones, una de composición 33 %33 % en peso de Cu y la otra 20 %20 % en peso de Cu.

tem

pera

tura

% peso Cobre

líquido

Veamos primero a 33% Cu

tem

pera

tura

% peso Cobre

líquido

líquidolíquido

Micrografía de AlMicrografía de Al--33%Cu33%CuPulida y atacada con 10% de ácido nítrico que ataca la fase θ (color oscuro) si atacar la fase alfa (blanca).

Analicemos ahora a 20% Cu

tem

pera

tura

% peso Cobre

líquido

Micrografía de AlMicrografía de Al--20% Cu20% CuPulida y atacada con 10% de ácido nítrico que ataca la fase θ(color oscuro) si atacar la fase alfa (blanca).

Para que queremos saber todo estoPara que queremos saber todo esto?

Bien, los cambios microestructurales influencian mucho a las propiedades de la aleación. La naturaleza laminarlaminar de la fase eutéctica, por ejemplo, impide el movimiento de las dislocaciones a través del material. Si las dislocaciones no pueden moverse fácilmente, el material no puede fluir hasta que se apliquen mayores tensiones, por lo que la tenacidad de la aleación aumenta.

Asi, conociendo las microestructuras, se pueden manejar las propiedades de los materiales.

tem

pera

tura

% peso Cobre

líquido

líquido

Las aleaciones de Al-Si difieren de los diagramas anteriores debido a que el Al tiene solubilidad cero en el Si. No hay fase beta que es reemplazada por el Si puro.

La composición eutéctica es una estructura de alfa + Si

Diagrama AlDiagrama Al-- SiSi

tem

pera

tura

% peso Silicio

líquido

líquido

líquido

Consideremos dos aleaciones con 13% en peso de Si ambas. La segunda de ellas “dopada” con una muy pequeña cantidad de Sodio ( 0,01%Na)

Así tendremos:

•Al- 13%peso Si.

•Al- 13% peso Si – 0,01%Na.

El 13% de Si es una aleación hipereutectoide.

tem

pera

tura

% peso Silicio

líquido

líquido

líquido

El eutéctico (alfa + Si) en este diagrama contiene mucho más alfa que Si (aplicar Regla de la palanca)a la Temp. Eutéctica.

El Si proeutéctico se forma primero, mientras que el líquido va disminuyendo su porcentaje de Si y asi alcanzar la composición eutéctica y solidificar.

tem

pera

tura

% peso Silicio

líquido

líquidolíquido

El Si proeutectoide tiene una forma cuboide como se observa en la micrografía. El eutéctico, no obstante, no es de forma laminar y aparece en secciones que consisten en hojuelas separadas (aunque interconectadas en tres dimensiones).

Consecuencias !!: Las hojuelas de Si en el eutéctico promueven la fragilidadfragilidaden la aleación.La mayoría de las aleaciones de Al-Si tienen composiciones cercanas al eutéctico debido a que tienen un menor punto de fusión y son más fáciles de fundir. Y si van a ser muy usadas, se deberá mejorar la fragilidad de las hojuelas de Si.

Agregando una pequeña cantidad de un elemento ternario, en este caso sodio, produce modificación en la estructura. Esta adición mueve el punto eutéctico a concentraciones de Si más altas y menores temperaturas. Esto produce una modificación en el crecimiento de Si eutéctico de forma que crece con formas irregulares fibrosas más que en hojuelas. El eutéctico se ha movido lo suficiente como para pasar de ser hipereutéctico a hipoeutéctico . Ahora la forma Alfa es la proeutéctica en lugar del Si.

tem

pera

tura

% peso Silicio

líquido

líquidolíquido

La adición de 0,01%Na a la aleación de Al-Si ha cambiado radicalmente sus propiedades.

No dopada Dopada