Diagramas de fase en aleaciones metálicas

Diagramas de fase en
aleaciones metálicas
Sólidos Inorgánicos
Diagramas de fase de sustancias puras
8000
Hielo VI
6000
2000
Hielo II
Líquido
Temperatura/°C
Presión/atm
Hielo V
4000
Hielo III
2000
Vapor
δ Fe
γ Fe
1000
α Fe
500
2
Hielo I
Vapor
10-12
1
Líquido
1500
10-8
10-4
1
104
Presión/atm
200
300
400
500
Temperatura/K
600
700
Agua
Hierro
Definiciones para recordar
Fase. Porción homogénea de un sistema caracterizado por una
estructura y una organización atómica constante. Posee
características físicas y químicas constantes.
Número de componentes (C). Número mínimo de especies
químicas necesarias para determinar la composición de las
fases.
Grados de libertad (L). En un sistema en equilibrio, es el
número de variables intensivas (P, T, [ ]) que se pueden
modificar en un amplio intervalo sin producir la aparición
de nuevas fases o la desaparición de las existentes.
Equilibrio de fases. Situación de equilibrio termodinámico
correspondiente a un sistema que contiene más de una fase.
1
Definiciones para recordar
Solución sólida. Fase resultante formada por disolución de
un metal en un segundo elemento metálico.
Solvente
Soluto
Solución
sólida
sustitucional
Solución
sólida
intersticial
Límite de solubilidad. Concentración máxima de átomos de
soluto que se dispersan en el solvente a una temperatura
determinada.
Regla de las fases de Gibbs
F+L=C+N
número de fases
coexistiendo en
el equilibrio
número de variables
no composicionales
número de grados
de libertad
número de
componentes
Caso particular de aleaciones, N = 1
F+L=C+1
Sistemas isomórficos binarios
1500
Líquido (L)
Temperatura °C
1400
Línea
liquidus
α+L
1300
Línea
solidus
1200
1100
1000
Cu
Sólido (α
α)
20
40
60
80
Ni
% Ni
2
Condiciones de solubilidad ilimitada
(Hume-Rothery)
 Los átomos de los constituyentes deben
ser de tamaño similar.
 Los metales deben tener la misma
estructura cristalina.
 Los metales deben tener idéntica valencia y
similar electronegatividad.
Sistemas isomórficos binarios
Construcción experimental del diagrama
Tm1
Ti
Tf
50:50
Tm2
Tm2
Ti
Temperatura
Temperatura
Cu
Tf
Tm1
Ni
0
50
100
% Cu
Tiempo
Sistemas isomórficos binarios
Determinación de la proporción
y composición de las fases
L
Temperatura °C
Regla de la palanca
1300
Línea de
reparto
α+L
B
1200
α
R
20
CL
S
C0
%Ni
WL =
Wα =
S
R+S
R
R+S
Cα
3
Sistemas isomórficos binarios
Determinación de la proporción
y composición de las fases
1500
L
Temperatura °C
1400
α+L
1270
1300
37
50
32
45
1200
1250
α
1100
1000
Cu
20
40
60
80
Ni
% Ni
Sistemas isomórficos binarios
Desarrollo de microestructuras
1300
α+L
α
1200
20
30
40
%Ni
50
Sistemas isomórficos binarios
Endurecimiento por solución sólida
11.6
Resistencia a
la tracción
Temperatura °C
L
8.7
5.8
2.9
Cu
20
40
60
80
Ni
% Ni
4
Endurecimiento por dispersión o precipitación
Sistema de dos componentes que no cumplen las condiciones
para una solubilidad ilimitada, formándose 2 fases sólidas.
Caso 1. Una fase en mayor proporción (matriz) y una en menor
proporción (precipitado).
Endurecimiento por dispersión
Caso 2. Dos fases en mezcla íntima (microconstituyente).
Condiciones que favorecen el endurecimiento por dispersión:
1. Matriz blanda y dúctil y precipitado duro y frágil.
2. Matriz continua y precipitado discontinuo.
3. Alta cantidad de precipitado, en partículas pequeñas
y con geometría esférica.
Reacciones de tres fases
L
L→α+β
α
Peritéctica
α+L→β
α
Monotéctica
β
α+β
α+L
Temperatura
Eutéctica
L
β
L1
L2
L1 → α + L2
α
α + L2
Composición
Reacciones de tres fases
Peritectoide
γ
γ → α+β
α
α+β → γ
α
α+β
β
α+β
β
Temperatura
Eutectoide
γ
Composición
5
Sistemas eutécticos binarios
Línea
liquidus
Línea
liquidus
Línea
solidus
Temperatura °C
1200
L
1000
β+L β
600
Línea
solvus
Línea
solidus
α+L
α
800
α+β
Línea
solvus
400
Cu
20
40
60
80
Ag
% Ag
Sistemas eutécticos binarios
Punto invariante
71.9 % Ag
780 °C
Isoterma
eutéctica
Temperatura °C
1200
L
1000
800
α+L
α
β+L β
600
CE aleación
eutéctica
α+β
400
Cu
20
40
60
80
Ag
% Ag
Desarrollo de microestructuras
en aleaciones eutécticas
Temperatura °C
400
L
300
200
α
α+L
β+L
100
Pb
β
α+β
20
40
60
80
Sn
α
β
α
β
α
β
α
β
% Sn
(1) Aleación eutéctica
6
Desarrollo de microestructuras
en aleaciones eutécticas
Temperatura °C
400
L
300
α+L
α
200
β+L
100
β
α+β
Pb
20
40
60
80
Sn
% Sn
(2) Aleación hipoeutéctica
Desarrollo de microestructuras
en aleaciones eutécticas
L
300
α+L
α
200
β+L
100
β
α+β
Pb
20
40
60
80
% Sn
(4) Fase α
Sn
(3) Aleación
hipereutéctica
Endurecimiento
en aleaciones eutécticas
Resistencia a la tracción/MPa
Temperatura °C
400
Hipoeutéctico
Hipereutéctico
1.01
Incremento del eutéctico
0.72
0.43
Endurecimiento por
dispersión de la
fase α
Endurecimiento
por solución sólida
0.14
Pb
20
40
60
80
Sn
% Sn
7
1500
Líquido
L+β
1100
L + MgNi2
700
L + Mg2Ni
L+α
300
Mg2Ni + MgNi2
α + Mg2Ni
Mg
20
40
60
MgNi2 + β
80
Ni
% Ni
Diagramas de fase ternarios
100
A
de
B
aje
nt
ce
np
eso
80
r
Po
20
60
40
eA
od
es
Po
rce
nta
j
ee
p
en
60
40
20
80
100
B
20
40
60
80
100
C
Porcentaje en peso de C
Diagramas de fase ternarios
80
α
40
60
ee
p
en
γ+α
aje
nt
ce
np
eso
20
r
Po
de
Fe
100
Cr
60
40
α+σ
r
eC
od
es
Po
rce
nta
j
Temperatura/°C
Diagramas de fases Mg-Ni
20
80
γ+α
100
Fe
20
40
60
80
100
Ni
Porcentaje en peso de Ni
8