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INGENIERIA DE MATERIALES UNIDAD III – SEMANA 09 ALEACIONES Y DIAGRAMA DE FASES

Ing. Jaime González Vivas

PROPOSITO Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz de relacionar los procesos de mejora en las aleaciones y la corrosión del material, en un diagrama de fases.

¿ALGUNA VEZ SE PREGUNTO?

….. Por que los materiales se endurecen. ….. ¿Por qué la adición de pequeñas cantidades de elementos de aleación aumentan la resistencia de los materiales metálicos? ….. Cuando se solidifica una aleación como el latón, por ejemplo, cual elemento solidifica primero, el cobre o el zinc. ….. Como influye el soluto, con respecto a sus propiedades mecánicas en las aleaciones

1.- Aleaciones. Se llama aleación a la unión de un metal (base) con otros elementos (de aleación), con el objeto de resolver problemas o aplicaciones que no es posible lograr con los metales puros. Los elementos de aleación modifican, mejoran o amplían las posibilidades del metal. Por ejemplo el carbono aumenta mucho la resistencia del hierro y mejora su colábilidad. En ocasiones se buscará transferir al elemento base alguna propiedad específica del elemento de aleación como el caso del cromo que da inoxidabilidad al hierro en los aceros inoxidables.

Para constituir una aleación es necesario cumplir dos condiciones: 1.- Que tenga homogeneidad la mezcla, tanto en estado líquido como en sólido. Los elementos deben ser totalmente miscibles en estado liquido. 2.- Que tenga carácter metálico, o sea que la unión se realice con enlace metálico, aunque no se descartan por existir otros tipos de enlace, siempre que coexistan minoritariamente con el metálico.

Puede formarse también cristales mixtos por afinidad entre los elementos y formarse enlaces entre ellos. A.- Si el enlace es iónico u homopolar se formará un compuesto químico. B.- Si el enlace es metálico se formarán las llamadas soluciones sólidas.

1.1 Soluciones sólidas. Si no existe afinidad química pero existen otros factores favorables como naturaleza, dimensiones y carácter electroquímico ("afinidades de disolución"), podrán formarse soluciones sólidas en las que un átomo ("soluto"), se introduce en la red de otro ("disolvente"), que conserva su red espacial. Los átomos de soluto pueden sustituir a los del disolvente en sus posiciones de la red o introducirse en los huecos de su red. Por razones de tamaño, normalmente "distorsionan la red. De ahí los dos tipos de soluciones sólidas: por sustitución y por inserción. En ambos casos las posiciones de los átomos de soluto se distribuyen al azar entre las posibles de la red del disolvente.

A.- Soluciones Solidas de Sustitución En este caso los átomos de soluto (B) pasan a sustituir algún átomo de disolvente (A).

Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida total, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de Hume- Rothery 1.- Factor tamaño: Los diámetros atómicos del disolvente y del soluto, definidos para un número de coordinación 12, no deben diferir más de un 15%. En caso contrario, se distorsiona mucho la red. Hay excepciones a está regla (el Ti, por ejemplo).

2.Factor de afinidad química entre los elementos.

(o

electroquímico):

No

debe

existir

afinidad

3.- Factor estructura cristalina: Los metales que presentan la misma estructura cristalina, generalmente se disuelven ampliamente, no ocurriendo esto entre metales que presentan estructuras cristalina distinta. 4.- Factor valencia: En general se dice que los metales de la misma valencia, en igualdad de condiciones, se disuelven mas ampliamente que los de valencia distinta. Se ha comprobado que con otros factores favorables un metal puede disolver a otros de mayor valencia pero no de menor. Un monovalente, por ejemplo, disuelve hasta Un 100% de otro monovalente, Un 40% de un divalente, Un 20% de un trivalente, Un 13% de un tetravalente y Un 10% de un pentavalente.

Solución sólida sustitucional: los átomos de B ocupan posiciones de la red A

Ejercicio 1 En base a las Reglas de Hume-Rothery, ¿ cual de los siguientes sistemas a priori podrian presentar solubilidad solida ilimitada? Au-Ag

Al-Au

U-W

Mo-Ta

Ejercicio 2 El diagrama de fases Al-Cu indica que estos dos metales no forman una solución sólida completa. Identifique qué reglas de Hume-Rothery se violan para el sistema Al-Cu.

B.- Soluciones Solidas de Inserción Para que se forme una solución sólida por inserción es necesario que el átomo de soluto pueda introducirse en los huecos de la red del disolvente sin distorsionar excesivamente la red, lo que exige severas restricciones en cuanto a contraste entre los diámetros atómicos de los elementos y sólo los elementos muy pequeños (H, C, B y N) cumplirán esa condición y podrán formar soluciones sólidas por inserción o intersticiales.

Los intersticios octaédricos se encuentran en el centro del cubo y en el punto medio de cada una de las aristas de la celdilla. Hay un total de 4 intersticios octaédricos por celdilla: 1x1 (en el centro del cubo) + ¼ X 12 (en mitad de las aristas. El radio máximo de un átomo que pudiera alojarse en el interior

de estos intersticios vale 0.414 r.

Los intersticios tetraédricos se sitúan en los centros de los ocho cubitos en que se puede dividir el cubo elemental, o sea, en la posición (1/4, ¼, ¼) y equivalentes. Hay un total de 8 intersticios tetraédricos por celdilla y cada uno puede albergar un átomo extraño de radio máximo igual a 0.225 r. Así pues, para la estructura BCC, a diferencia de la FCC, los intersticios mayores son los octaédricos y no los tetraédricos

1.1.3 Soluciones sólidas ordenadas.

Si los átomos de soluto no ocupan posiciones al azar en la red del disolvente sino algunas posiciones entre las que existe un cierto orden, se forma una solución sólida ordenada o "súper-red". Ello exige una cierta proporción entre átomos de disolvente y de soluto, aunque no muy fija. Al ser un problema de tamaño y distorsión cabe la posibilidad de que, al variar la temperatura, se produzcan reacciones orden-desorden.

Latón Cu - Zn

1.1.4 Influencia en las propiedades mecánicas

Diagrama de fases Ing. Jaime González Vivas

DIAGRAMA DE FASE Gran cantidad de información se ha acumulado respecto a los cambios de fase, en muchos sistemas de aleaciones, y la mejor manera de registrar los datos es por medio de diagramas de fase, también conocidos como diagramas de equilibrio o constitucionales. Para especificar por completo el estado de un sistema en equilibrio, es necesario especificar tres variables independientes, mismas que pueden controlarse externamente, a saber: temperatura, presión y composición.

a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total

Clasificación: 1.-Componentes completamente solubles en estado líquido:

a. Completamente solubles en estado sólido (tipo I); b. Insolubles en estado sólido: la reacción eutéctica (tipo II); c. Parcialmente solubles en estado sólido: la reacción eutéctica (tipo III);

d. Formación de una fase intermedia de fusión congruente (tipo IV); e. La reacción peritéctica (tipo V). 2.-Componentes parcialmente solubles en estado líquido: la reacción monotéctica (tipo VI).

3.-Componentes insolubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (tipo VII). 4.-Transformaciones en estado sólido: a. Cambio alotrópico;

b. Orden-desorden; c. La reacción eutectoide, y d. La reacción peritectoide.

Tipo I—Dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido Como los dos metales son completamente solubles, en el estado sólido, el único tipo de fase sólida formada será una solución sólida sustitucional. Los dos metales tendrán generalmente el mismo tipo de estructura cristalina y diferirán en sus radios atómicos en menos del 14%. El resultado de correr una serie de curvas de enfriamiento para varias combinaciones o aleaciones entre los metales A y B, variando en composición del 100% de A y 0% de B hasta 0% de A y 100% de B, se muestra en la figuras. A fin de ver la relación que existe entre las curvas de enfriamiento, se han graficado en un solo conjunto de ejes; no obstante, el lector debe darse cuenta de que cada curva de enfriamiento tiene sus propias coordenadas.

Temperatura

Curva de enfriamiento de un elemento puro en función del tiempo

Líquido

Cuando comienza a solidificar la temperatura se mantiene constante.

Líquido y sólido

Sólido

Tiempo

Temperatura

Curva de enfriamiento para una sustancia que posee dos componentes o elementos y una dada composición

Líquido Líquido y sólido

Sólido

Tiempo

A diferencia del caso anterior el líquido y el sólido coexisten no solo a una temperatura sino que a un rango

Curva de enfriamiento para una sustancia que posee dos componentes o elementos para diferentes composiciones el elemento puro A tiene menor temperatura de fusión que el elemento B

Elemento B puro curva tiene un plato

Elemento A puro curva tiene un plato

Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido

a) Temperatura solidus

liquidus

y

b) Fases presentes c) Composición de cada fase

d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca) e) Solidificación de aleaciones

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

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.

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.

EFECTO DEL REFORZAMIENTO POR SOLUCION SOLIDA SOBRE LAS PROPIEDADES 1.- La resistencia de cedencia, resistencia a la tensión y dureza de la aleación son mayores que las de los metales puros. 2.- Casi siempre, la ductilidad de la aleación es menor que la del metal puro. 3.- La conductividad eléctrica de la aleación es mucho menor que la del metal puro. 4.- La resistencia a la termofluencia, o pérdida de resistencia a temperaturas elevadas, mejora con el reforzamiento por solución solida.

TIPO II Solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total en estado sólido Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles uno en otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden considerarse como insolubles.

El punto de intersección de las líneas liquidus, se denomina punto eutéctico. La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificación del eutéctico

La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como composición eutéctica.

E

Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en dos fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica y se escribe:

temperatura eutéctica

Líquido enfriamien to

solído A  sólido B

Aleación 1: aleación eutéctica

Aleación 3: aleación hipoeutéctica

Aleación 2: aleación hipereutéctica

REACCIONES INVARIANTES

DIAGRAMA DE FASES QUE CONTIENEN REACCIONES ENTRE TRES FASES