Conceptos Diagramas Fase

Captulo 7 Diagramas de fase

y transformaciones de fase

Tema 7: Diagramas de fase

1. 2. 3. 4.

Definiciones Diagramas de fase Cintica: nucleacion


y crecimiento Tratamientos trmicos de aleaciones metlicas

2

1 Definiciones

Microestructura

Fase

Componente

Solucin slida

Lmite de solubilidad

(1/10)

3

1 Definiciones (2/10)

Microstructura Las propiedades mecnicas y fsicas de un material dependen de su microestructura. Esta puede consistir en una "simple" estructura de granos iguales en un metal o cermica pura, o en una mezcla ms compleja de distintas fases

4

1 Definiciones

Microestructura

Estructura de granos de Cu puro

1 ' /

(3/10)

Aleacin de Al-Cu con precipitados de CuAl2

1 Definiciones

Fase

(4/10)

porcin homognea de un sistema que tiene caractersticas fsicas y qumicas uniformes: un material puro, un slido, un lquido o un gas se consideran fases. Si una sustancia slida, puede existir en dos o ms formas (por e j . , puede tener tanto la estructura FCC como la BCC), cada una de estas estructuras es una fase diferente.

1 Definiciones

Componente - un elemento y/o un

una aleacin.

(5/10)

compuesto que forma parte de

7


Fase y componente (Ejemplo)

Mezcla agua-hielo a 0C: tiene un componente: H20 y dos fases: slido y lquido.

- Micrografa de la derecha corresponde a un acero: tiene dos componentes: Fe y C y dos fases, que aparecen de color ms claro y ms oscuro en la micrografa

Acero (Fe-C)

1 Definiciones

Solucin slida

(7/10)

Mezcla de tomos de dos tipos diferentes: uno mayoritario, que es el disolvente y otro minoritario, que es el soluto. Los tomos del soluto ocupan posiciones susbstitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la estructura cristalina del disolvente puro

1 Definiciones

Solucin Slida (Ejemplo)

O tomo A (Disolvente)

(8 /10)

0 tomo B (Soluto) Solucin slida de B en A

Material A puro Sustitucional

OOOOO O O O I O OOOOO OOOOO o o o o o o # o o o OOOOO OOOOO

Intersticial

CUDOOO croooo o o c p o o o croo


Lmite de solubilidad en muchas aleaciones y para una temperatura especfica, existe una concentracin mxima de tomos de soluto. La adicin de un exceso de soluto a este lmite de solubilidad forma otra disolucin slida o compuesto con una composicin totalmente diferente


Lmite de solubilidad (Ejemplo Agua-Azucar)

lOOr

60

I 40

- 1 | 1 )

Lmite de solubilidad

Disoluc in lquida (jarabe]

^ J i l i 1 / i

/ D i s o l u c i n lquida +

Azcar slido

100 & a

Azcar 0 20 4 0 f0 BO 100

Agui ICO 60 bO 40 20 0

Composic in [% en p t f 0 )


1. 2. 3. 4.

Definiciones Diagramas de fase Cintica: nucleacin



13

2 Diagramas de fase

Diagramas de fase de equilibrio

Diagramas de fase binarios

Interpretacin de los diagramas de fase; palanca

Equilibrio de fases: termodinmica

Algunos diagramas de fase tpicos

Construccin de diagramas de fase

(1/32)

la ley de la

Relacin entre diagramas de fase y microestructura 14

2 Diagramas de fase (2/32)

Diagramas de fase de equilibrio Los diagramas de equilibrio de fase son mapas (por ejemplo, en el espacio temperatura-presin o temperatura-composicin) de las fases estables de un material en funcin de las condiciones de P, T y composicin.


Diagramas de fase de equilibrio (Ejemplo: Agua)

Presin

+

un -

4.58 Ion

D p^OSClA

i to Crtico

oc: io" '0,0098 C

Ti-nwalura


Diagramas de fase de equilibrio (Ejemplo: Hielo) Adems, existen un nmero diferente de estructuras cristalinas en las que puede aparecer el H20 en estado slido

3 m *w


Diagramas de fase binarios diagramas de equilibrio de sistemas con dos componentes

1500

1400

w 130 D 55 1200 tu

u 1100

ft 1000

900

mi 3 700 ^

600

500 Cu

0 2 0.4 0 $ 0.$ 1.0 MOLE_FRACTION NI Hl

^ sooJ

Ag MOLE_FRACTION CU


Interpretacin de los diagramas de fase; la ley de la palanca

A *,(S) x xs(L) g

fs = XB \L) XB

xB(L)-xB(S) OL

~ SL

fL = xB - xB (S)

XAL)-XB(S)

SO ~SL



- La materia puede existir en diferentes estados (slido, lquido, gas) en funcin de las condiciones de temperatura, presin y composicin.

un slido puede poseer diferentes estructuras atmicas bajo distintas condiciones.

Los principios de la termodinmica controlan el estado de equilibrio de un material (la fase o las combinaciones de fases) en funcin de las condiciones de P y T.

2 Diagramas de fase

Equilibrio de fases: termodi - Supongamos por

\ 'c \a/\i

\

ejemplo la energa

r~ / J

(8/32)

nmica potencial de un sistema:

(d) Equilibrio estable (a) Equilibrio metastable (b) Equilibrio inestable

21

2 Diagramas de fase


(9/32)

Para un sistema a Ty P determinadas, la funcin energtica que mejor describe la energa sustancia es la energa libre de Gibbs G:

G = H-TS

de una

22

2 Diagramas de fase


(10/32)

El equilibrio no dice nada acerca del tiempo necesario para alcanzarlo

El sistema tiende al equilibrio, pero no se sabe nada de el tiempo necesario para alcanzarlo

la cintica tambin es muy importante

23

2 Diagramas de fase

Algunos diagramas de fase tpicos Solubilidad total en fases slida y lquida

1500-1 i i i i

1400-

(O 1300-


Algunos diagramas de fase tpicos - Separacin de fases

0 2 0 4 0.6 0 8 MQI_E_FRACTIQN w

1.0 w

25


Algunos diagramas de fase tpicos Sistema eutectico con solubilidad parcial( L^a + p)

Lquido

0 Ag

0.2 0.4 0.6 0. MOLE_FRACTION CU

1.0 Cu

26


Algunos diagramas de fase tpicos - Diagrama de fases con compuestos intermedios estequiometricos

Compcfticido (^ atmico Fbl

m JO *o 70 IQ

L iT1:xIIICIII'! ".. (W p l'hi


Algunos diagramas de fase tpicos - Diagramas binarios ms complejos

Sistema metlico WfUhl PiranD Tin

-~-

Sistema cermico WtKStO

20 * 0 60 SO i i ;

\ H UTO* i

-%

- 3 1

1

5*

20- i

1 ' 1 T "1 -T-

l

< - a

" /

\ IHD" /

V " 1425* -

*.IPIK Pirenl T'r fc'iOj > / 80

3SaO- A^Oj 9o0

2 Diagramas de fase

Construccin de diagramas de fase

(16/32)

- Mtodos para generar diagramas de fase: (Parte i)

Clculos termodinmicos

Identificando las fases presentes en funcin composicin mediante observacin directa en el y anlisis qumico.

Midiendo cambios de propiedades en funcin composicin.

de la T y microscopio

de la T y la

29

2 Diagramas de fase 3 (17/32)

Construccin de diagramas de fase - Mtodos para generar diagramas de fase: (Parte i)

Curvas de enfriamiento durante la solidificacin: la velocidad de enfriamiento disminuye durante la transformacin debido al calor latente de fusin.

2 Diagramas de fase

Relacin entre diagramas de fase

(18/32)

- microestructura

Ejemplos de microestructuras de enfriamiento lento ("equilibrio") tpicas

Hiptesis: La velocidad de enfriamiento es tan lenta que el equilibrio se alcanza en proceso

cada instante del

31

2 Diagramas de fase 3 (19/32)

Relacin entre diagramas de fase - microestructura

- Solubilidad total en fase slida y

I3H

e

|

1 ^ K ,1 ^

-{ *-) - V ^ * LX~ \ * * A ^ j ^ V ^

^ V ? y

' L Lt! \. mi I t t l H J

4 i * >> pfH M} > " V \ . J

II M JQ JO

lquida

32 i



Sistema eutectico: Pb-Sn

60 Composicin 1% en peso Sn)



Sistema eutectico: Pb-Sn Composicin ( ^ atmico Sn)

40 60 B0




Composicin: C-,

Campos ir 6n % en pe Srt]




- Composicin: C2

10 I M 30 40 SO

'.atnptiWi i ^ en peso Sn)



Sistema eutectico: Pb-Sn Composicin: C3=CE

GMI>Pfclfl (% 47 f-v Wi



Sistema eutectico: Pb-Sn Composicin: C4

CcmfKHk-iGn |t en p SnJ



- Sistema: Fe-C . ff^

! I M

IBH

j NA

EO

1 5 1 1

I W C ^ - W K

mrc \

_ T. ^HiTJ

-nre /

1 fl 1 H

Acero 4

Cmnrc-iii 0* C% jiiSiiif D t i

U 1

i* ^

, 1.H

a^jC

x ] .' 1

i i n 1

i

*PC ^ ^ _ - - - - "

oc

T * H ^

TF-C

Crtwrtiu rf*Ci

1 l 1 4 S *

CnmticivcMVi O en peo Ci

-*~+ Fundicin

H

"

"

S U

n n

uno

nn

Vo

V



- Sistema: Fe-C

Ferrita Fe(a) (bec) Austenita Fe(y) (fec)

. / ;

2 Diagramas de fase

Relacin entre diagramas de fase

- Sistema: Fe-C Reaccin eutectodide:

y^a + /3 ^> Fe(y) ->

(28/32)

- microestructura

Fe(a) + Fe3C Perlita

41



Sistema: Fe-C (Acero eutectoide, con %C = CE)

J _J 1 L

Cu"i|*-if "\r. |% en ptWi Cl

Perlita

88I



Sistema: Fe-C (Acero hipoeutectoide, con %C < CE)

r \ l i

fe* -"*!

Curtipo^Viji ^ % cu peu D



Sistema: Fe-C (Acero hipereutectoide, con %C > CE) ' IIK-

ion

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7..h.

H

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1. 2. 3. 4.

Definiciones Diagramas de fase Cintica: nucleacin



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