MATERIALES PARA INGENIERÍA

Profesor: Dr. Ing. Jorge Acevedo

2.-DIAGRAMA DE FASE

2.-DIAGRAMA DE FASE

• Fase: es una región que difiere de otra en microestructura y/o composición

• Fase: Porción homogénea de un sistema

• Diagrama de fases: son representaciones gráficas, función de la T, P y CQ

• Los diagramas de fase son construidos en condiciones de equilibrio (enfriamiento lento)

UTILIDAD DE UN DIAGRAMA DE FASE

• Mostrar que fases están presentes a diferente T y CQ en condiciones de equilibrio

• Indicar la solubilidad• Indicar las temperaturas de las

transformaciones de fases• Indicar la temperatura a la cual comienzan a

fundirse las diferentes fases

Límite de solubilidad

• Existe una concentración máxima de átomos de soluto que puede ser disuelta en el solvente formando una solución sólida. Esa concentración máxima es llamada límite de solubilidad

2.-DIAGRAMA DE FASE• Punto Triple (3 fases)• Tipos de cambio de fases:1. Sólido-sólido: alotrópico2. Sólido-líquido: fusión-

solidificación3. Sólido-gas: Sublimación-

deposición4. Líquida-vapor: Vaporización-

condensación

REGLA DE FASE DE GIBBS

La construcción de diagramas de fase sigue las leyes de la termodinámica. La regla de las fases de Gibbs, establece un criterio para definir el número de fases que coexisten en equilibrio en un sistema:

P+F =C+NEs decir si en un sistema hay una cantidad de fases,

los grados de libertad representan la cantidad de variables (P y T, N=2) que se pueden variar sin cambiar la cantidad de fases.

REGLA DE FASE DE GIBBS

• : número de fases que coexisten en un sistema dado• : grados de libertad• : Número de componentes del sistema

• En la mayoría de los diagramas de fases binarios que se usan en Ciencia de Materiales son diagramas T-CQ donde la P es cte. En estos casos se utiliza la regla condensada:

REGLA DE FASE DE GIBBS

• Sustancia pura

• En el punto triple:

• En un punto de la curva de solidificación sólido líquido:• (T o P)• En una fase:• (T y P)

DIAGRAMA DE FASES DE ALEACIONES BINARIAS

• Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes

• El cobre puro es un sistema de un solo componente

• Una aleación cobre-níquel es un sistema de dos componentes

• Se puede considerar que un compuesto en una aleación como componente (aceros)

DIAGRAMA DE FASES DE ALEACIONES BINARIAS

• Considere una aleación de 53%Ni y 47%Cu. ¿Cuánto son las composiciones de las fases liquida y sólida a 1300°C?.

DIAGRAMA DE FASES DE ALEACIONES BINARIAS

• ¿Qué porcentaje en peso de aleación es líquida y qué porcentaje es sólida?.

REGLA DE LA PALANCA

• Realizando un balance de peso, es decir, sumando la fracción de líquido y sólido se tiene:

𝑓 𝑙𝑓 𝑠

REGLA DE LA PALANCA

REGLA DE LA PALANCA

REGLA DE LA PALANCA

Ejercicio

Una aleación de Cu-Ni contiene el 47% en peso de Cu y el 53% en peso de Ni y está a 1300°C(a) ¿Cuál es el tanto por ciento en peso de Cu en las fases sólida y líquida a dicha T?(b) ¿Qué porcentaje en peso de aleación es líquida y qué porcentaje es sólida?

Diagrama de fases de equilibrio Pb-SnLas regiones de restricción de solubilidad en cada extremo del diagrama Pb-Sn se designan con fases y

Diagrama de fases de equilibrio Pb-SnLa fase es una solución rica en Pb y puede disolver en forma de solución sólida un máximo de 19,2 % en peso de Sn a 183°C

Diagrama de fases de equilibrio Pb-SnLa fase es una solución rica en Sn y puede disolver un máximo de 2,5% en peso de Pb a 183°C

Diagrama de fases de equilibrio Pb-SnLas líneas solvus indican la máxima solubilidad

Diagrama de fases de equilibrio Pb-SnLa composición eutéctica (que solidifica a temperaturasmás bajas que todas las demás). La temperatura eutéctica esla mínima temperatura a la cual la fase líquida puede existir (Cuando se lleva a cabo un enfriamiento lento)

composición eutéctica :61,9%Sn y 38,1%Pb

temperatura eutéctica183°C

Diagrama de fases de equilibrio Pb-SnCuando el líquido de la composición eutéctica se enfríalentamente hasta la T eutéctica, la única fase existente (líquida) se transforma simultáneamente en dos formas sólidas

y

Reacción eutéctica

Reacción invariante

Ejercicio

• Realizar un análisis de fases de la solidificación en equilibrio (ideal) de aleaciones Pb-Sn en los siguientes puntos a partir del diagrama de fases del Pb-Sn

• (a) En la composición eutéctica justo por debajo de 183°C (Temperatura eutéctica)

• (b) En el punto c a 40% Sn y 230 °C• (c) En el punto d a 40% Sn y 183 °C + delta T• (d) En el punto e a 40% Sn y 183 °C – delta T

Ejercicio

• Un kilogramo de una aleación del 70% Pb y 30% Sn se enfría lentamente desde 300°C. Utilizando el diagrama de fases Pb-Sn, calcula lo siguiente:

• (a) El % en peso de líquido y del proeutéctico alfa a 250°C

• (b) El % en peso de líquido y del proeutéctico alfa justo por encima de la T eutéctica (183°C) y el peso, en kg, de dichas fases

• (c) El peso en kg de alfa y beta formados mediante la reacción eutéctica

Ejercicio

• Una aleación Pb-Sn contiene el 64% en peso de proeutéctico alfa y 36% en peso de eutéctico alfa + beta a 183°C + delta T. Calcular la composición media de dicha aleación.

PENSATIVO

?

Glosario• Equilibrio: Sistema sin cambios macroscópicos con el tiempo• Fase: Porción de un sistema material homogénea y separada físicamente• Regla de fases de Gibbs: En el equilibrio, la suma del número de fases más

los grados de libertad es igual al número de componentes más 2• Grados de libertad: Número de variables (T, P, CQ) que se pueden variar

independientemente sin que tenga lugar cambio de fase o fases del sistema• Número de componentes de un diagrama de fase: Número de elementos o

compuestos que constituyen el sistema de diagrama de fase• Sistema isomorfo: Diagrama de fase en el cual sólo existe una única fase

sólida. Es decir, hay una única estructura cristalina en estado sólido• Liquidus: Temepratura a la cual el líquido empieza a solidifcar en equilibrio• Solidus: Temperatura durante la solidificación de una aleación a la cual

solidifica la última parte de la fase líquida

Glosario• Reacción eutéctica: Transformación de fases en la cual toda la fase líquida se

transforma por enfriamiento en dos fases sólidas isotérmicamente• Temperatura eutéctica: Temperatura a la que tiene lugar la reacción eutéctica• Composición eutéctica: Composición de la fase líquida que reacciona para

formar dos nuevas fases sólidas a la T eutéctica• Punto eutéctico: Punto determinado por la composición eutéctica y la

temperatura• Reacciones invariantes: Transformaciones de fase en equilibrio que involucran

cero grados de libertad• Composición hipoeutéctica: Aquella que se encuentra a la izquierda del punto

eutéctico• Composición hipereutéctica: Aquella que se halla a la dercha del punto

eutéctico• Fase proeutéctico: Fase que se forma a una T por encima de la T eutéctica