Lectura de Reconocimiento Unidad 2 256599

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Lectura de Reconocimiento Unidad No 2 del curso de Materiales de Ingeniera Walberto Roca Bechara

El contenido siguiente tiene el objetivo, de activar los conocimientos bsicos o previos

necesarios, para facilitar estudio de la unidad No 2 del curso materiales de ingeniera.

Diagramas de fases.

Los elementos metlicos puros tienen aplicaciones tcnicas, por ejemplo, el cobre o el aluminio

de alta pureza usados para fabricar circuitos microelectrnicos. Sin embargo, en la mayora de

las aplicaciones de usan aleaciones. Definimos una aleacin como un material que tiene

propiedades metlicas y que est formado por varios elementos. Un acero al carbono simple es

una aleacin de hierro y carbono. Los aceros inoxidables, suelen contener hierro, carbono,

cromo y nquel.

FIGURA 51.

Como primer paso se define una fase como una forma nica en la que existe el material por

ejemplo, el agua tiene tres fases: liquida, slida y vapor de agua. Una fase posee la misma

estructura o arreglo atmico, la misma composicin, propiedades en su interior y una interfaz

definida entre esta y las fases que la rodean. Un diagrama de fases ilustra las fases presentes en

un sistema de aleacin a diversas temperaturas, presiones y composiciones. A partir del

diagrama de fases, podemos predecir que fases se espera sean termodinmicamente estables y

en que concentracin deben estar presentes.

En los diagramas de fase isomorfa binarios en equilibrio, los dos componentes son

completamente solubles entre s en estado slido y por lo tanto solo hay una nica fase slida.

En muchos de estos diagramas se encuentran fase (s) y/o compuestos intermedios. Las fases

intermedias tienen una variedad de composiciones, mientras que los compuestos intermedios

tienen una nica composicin.

DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA

2.5.2 DIAGRAMA DE UNA SUSTANCIA PURA



Este es uno de los diagramas mas sencillo (generalmente es presin vs temperatura), tal como

se muestra en la figura 51. En la mencionada figura se puede apreciar que el agua posee tres

fases: Slida, liquida y gaseosa o vapor. Se observa tambin un punto denominado punto triple

en el cual pueden coexistir los estados slido, lquido y gaseoso. Adicionalmente se encuentran

dos lneas: la lnea de vaporizacin y la lnea de solidificacin para las cuales los pares (presin,

temperatura) corresponden a una transicin de fase entre una fase slida y una fase lquida; y

entre una fase slida y una fase vapor respectivamente.

Figura 51 Diagrama de fase del agua [Adaptado de: Wikipedia, 2008]

Ahora se aplicara la regla de fase de Gibbs al diagrama del agua en diferentes puntos como se

muestra en la figura 51:

En el Punto triple:

Fases presentes = 3, Numero de componentes =1, por lo tanto,

P+F=C+2, luego 3+F=1+2 entonces F=0.

El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=0, quiere decir que Como ninguna de

las variables (presin, temperatura o composicin) se pueden cambiar manteniendo las

tres fases de coexistencia, el punto triple es un punto invariante.

En un Punto sobre la lnea de solidificacin:





El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=1, quiere decir que Una variable

(Temperatura o Presin) se puede cambiar manteniendo an un sistema con dos fases

que coexisten, es decir, si se especifica una presin determinada, slo hay una

temperatura en la que las fases slida y lquida coexisten.

En un Punto dentro de una fase nica (Zona liquido):



El hecho que el grado de libertad o varianza sea F=2, quiere decir que dos variables

(Temperatura o Presin) se pueden cambiar independientemente y el sistema permanece

con una nica fase.

ALEACIONES FERROSAS Y NO FERROSAS

Se definen como metales, las sustancias que poseen propiedades como buena conductividad

trmica y elctrica, son dctiles o deformables y son slidos a temperatura normal excepto el

mercurio que es lquido.

Las aleaciones de ingeniera pueden dividirse en dos tipos: ferrosas y no ferrosas. Las

aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleacin, mientras que las

aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro. Los aceros que son aleaciones

ferrosas, son las ms importantes. las propiedades mecnicas de los aceros al carbono pueden

variar considerablemente por trabajo en fro y recocido. Cuando el contenido de carbono de los

aceros se incrementa por encima de 0.3% , pueden ser tratados trmicamente por temple y

revenido para conseguir resistencia con una razonable ductilidad. Los elementos de aleacin

tales como el nquel, cromo y molibdeno se aaden a los aceros al carbono para producir aceros

de baja aleacin. Los aceros de baja aleacin presentan buena combinacin de alta resistencia y

tenacidad, y son de aplicacin comn en la industria de automviles para usos como engranajes

y ejes.

Las aleaciones de aluminio son las ms importantes entre las no ferrosas principalmente por su

ligereza, endurecibilidad por deformacin, resistencia a la corrosin y su precio relativamente

bajo. El cobre no aleado se usa en abundancia por su conductividad elctrica, resistencia a la

corrosin, buen procesado y costo relativamente bajo, el cobre se alea con el cinc para formar

unas serie de latones que tienen mayor resistencia que el cobre sin alear.

Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas ms importantes a causa de su alta

resistencia a la corrosin en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al

menos 12% de cromo.



TRANSFORMACIONES DE LOS MATERIALES Y DIAGRAMAS DE FASES

Existen muchas aplicaciones de los materiales en el campo de la ingeniera; por lo general los

materiales no se usan puros como se menciono anteriormente, sino que se usan como aleaciones

en la gran mayora de los casos. Estas aleaciones tambin poseen diferentes estructuras y por

ende propiedades a diferentes temperaturas y/o presiones, lo que hace adquirir importancia el

conocimiento de los diagramas de fases.

Se puede definir una fase como cada una de las porciones homogneas fsicamente separables

en un sistema formado por uno o varios componentes. Por ejemplo, el agua tiene tres fases:

liquida, slida y gaseosa (vapor). Una fase posee ciertas caractersticas a saber:

Posee la misma estructura

Posee el mismo arreglo atmico

Posee la misma composicin qumica generalmente

Posee las mismas propiedades Los diagramas de fase se definen como representaciones

graficas de las fases presentes en un sistema de uno, dos o tres materiales bajo las variables de

temperatura, composicin y/o presin.

Un componente de una mezcla es una sustancia qumicamente independiente de la cual esta

compuesta una la fase.

2.5.3 DIAGRAMAS BINARIOS

Estos diagramas contrario a los de las sustancias puras, se realizan entre temperatura y

composicin, dejando la presin constante, es decir la regla de

gibbs para estos ser P+F=C+1.

La caracterstica de un sistema binario es que muestra las fases formadas para diferentes

muestras de dos elementos o dos compuestos en un rango de temperaturas.

A. Diagrama de solubilidad total

Este diagrama recibe el tambin el nombre de sistemas isomorfos debido a que los

componentes del diagrama son totalmente solubles a altas y bajas temperaturas. Para que un

sistema sea completamente soluble debe cumplir ciertas condiciones:

Estructura Cristalina: La estructura cristalina debe ser la misma

Tamao: Los atomos o iones que constituyen el sistema deben tener una diferencia de

radios atmicos que no debe ser mayor del 15%, para minimizar la deformacin de la

red.



Electronegatividad: No debe haber diferencias significativas en los valores de

electronegatividad, debido a que si existen se formaran compuestos y no soluciones., por

ejemplo Na +Cl = NaCl

Valencia: No debe existir diferencia significativa de valencias, debe ser la misma.

Estos diagramas presentan nicamente la lnea de lquidus, la cual se define como la temperatura

arriba de la cual un material es totalmente lquido y la lnea de slidus, que se define como la

temperatura por debajo de la cual esa aleacin es totalmente slida (figura 52). La diferencia de

temperaturas entre la lnea de liquido y la de solido es el intervalo de solidificacin de la

aleacin, dentro de este intervalo de temperaturas se puede encontrar islas de solido en fase

liquida. Ejemplo de aleaciones con este tipo de diagrama de solubilidad total son: Cu-Ni, NiO-

MgO,Tl-Pb entre otros.

Figura 52. Diagrama isomorfo o de solubilidad total

Para ubicar un punto (a) en este diagrama se requiere de un porcentaje de composicin y una

temperatura. Por ejemplo, la aleacin entre Cu-Ni de la figura 53, muestra que la aleacin que

pasa por el punto (a) de la figura tiene una composicin de 80% de Ni +20% Cu, para un total

de 100% de la aleacin. Para una aleacin de 40%Cu y 60% Ni, segn el diagrama de la figura

53, por encima de los 1280C la aleacin es totalmente liquida, debido a que este es el lmite o

linea de liquidus. Por debajo de los 1240 C, la aleacin es totalmente slida y en el rango de

1280C 1240C, se pueden encontrar las dos fases (solido y liquido), es decir en estos 40C de

diferencia es donde la aleacin empieza a solidificarse hasta llegar a la lnea de solidus.



Figura 53.Diagrams Cu-Ni

B. Regla de la palanca

La regla de la palanca, es un mtodo que permite conocer la composicin qumica de las fases y

las cantidades relativas de cada una de ellas.

Para determinar la composicin qumica de las fases primero se debe trazar una lnea de enlace

o isoterma, la cual es una lnea horizontal en una regin de dos fases como se muestra en la

figura 54, esta lnea une dos puntos de la lnea de liquidus y solidus en este caso. Los extremos

de esta lnea representan las composiciones de las dos fases. A continuacin prolongar los

puntos hasta tocar la lnea de composicin en los puntos Ca y Cl. El punto Ca quiere decir que

la aleacin consideradaa la temperatura (T) contiene lquido de una composicin qumica de %

del elemento B y el restante del elemento A. El punto Cl quiere decir que la aleacin

considerada contiene slido de una composicin qumica de % del elemento B y el restante del

elemento A.



Figura 54. Regla de la palanca

Por ultimo para determinar las cantidades relativas de cada una de las fases presentes (liquida y

slida en este caso), se procede a usar la regla de la palanca.

Esta se puede escribir de la siguiente forma:

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier regin bifsica de un diagrama de fases

binario. En regiones de una fase no se usa el clculo de la regla de la palanca puesto que la

respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente).

De esta manera la fraccin o porcentaje de fase slida ser:

Y la fraccin o porcentaje de fase liquida ser:

Hay que tener cuidado al seleccionar el brazo de la palanca para el numerador de la formula, ya

siempre es el lado opuesto a la fase que se calcula.



Ejemplo:

Una aleacin de cobre nquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y est a 1.300 C.

(a)Cul es el porcentaje en peso de cobre y nquel en las fases slida y lquida a esta

temperatura?

(b)Qu porcentaje en peso de la aleacin es lquida, y qu porcentaje es slida?

SOLUCION:

a) Para desarrollar el ejercicio se debe usar el diagrama de la figura 55y trazar la lnea

correspondiente a la aleacin47% en peso de Cu y 53% de Ni, y la correspondiente isoterma a

1.300 C., es posible determinar el porcentaje en peso de cobre y nquel en las fases slida y

lquida a esta temperatura.

% Cu en fase lquida: 55% Cu aprox. + 45 % Ni aprox.

% Cu en fase slida: 4O% Cu aprox. + 60 % Ni aprox.

En el campo de la ingeniera, una de las aleaciones metlicas ms importante es el acero. Esta

es una aleacin producto de la unin del hierro, quien junto con una pequea proporcin de

carbono, proporcionan al acero diversas propiedades especiales tales como dureza, resistencia y

ductilidad entre otras.

El hierro es un metal alotrpico, quiere decir que posee diferentes estructuras reticulares

dependiendo de la temperatura a la que sea sometido. Tcnicamente se considera hierro puro a

aquel material con menos de 0.008% de carbono, este es un metal blanco azulado, dctil y

maleable que permite ser forjado y moldeado.

El diagrama hierro-carbono o como es comnmente llamado hierro - Fe3C, debido a que esta

parte del diagrama (entre 0 y 6.67%C), es la que reviste gran importancia tecnolgica ya que en

esta porcin se pueden encontrar los diferentes aceros y fundiciones. El extremo que no se

muestra en le diagrama rico en carbono no es estudiado debido a que un material rico en

carbono es muy duro, pero extremadamente frgil. Ver el Diagrama Fe-Fe3C

En este diagrama las aleaciones que contienen hasta un 2% de carbono constituyen los aceros y

las aleaciones que contienen mayor porcentaje de carbono se denominan fundiciones. El

carbono puede presentarse en este diagrama en tres formas distintas a saber:

Como una solucin slida intersticial (explicado anteriormente)

Combinado con el hierro para formar un compuesto nter metlico denominado cementita



Fe3C

Como carbono libre o grafito

En el diagrama hierro Fe3C, se puede apreciar las diferentes transformaciones alotrpicas del

hierro:

Figura 55. Diagrama Cu-Ni para el ejemplo

b) Para determinar que porcentaje en peso de la aleacin es lquida, y que porcentaje es slida

se realiza la regla de la palanca usando los resultados anteriores.

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