Aleaciones de Materiales

 

CAPITULO VI ESTUDIO METALOGRAFICO DE LAS ALEACIONES

 

1. PRINCIPIOS BASICOS 1.1. ALEACION. Se denomina aleación a la unión de un metal (base), con otros metales y/o no metales.

 

Fig. 6. 1. OBTENCION DE UNA ALEA ALEACION CION - ALEA ALEACIONES CIONES DE PLAT PLATA EN JOYERÍA

 

1.2. CONDICIONES QUE DEBEN REUNIR LOS ELEMENTOS DE LAS ALEACIONE ALEACIONES. S. a) Los elementos deben ser totalmente miscibles en estado líquido para que al solidificarse quede un cuerpo homogéneo. b) El producto obtenido tenga carácter metálico, es decir  que subsistan en la aleación los enlaces metálicos de los comp co mpon onen ente tes s de desp spué ués s de mezc mezcla lado do..

 

1.3. CONSTITUYENTES DE LAS ALEACIONES Están formados por cuatro clases fundamentales de constituyentes:

• •

Metales puros o elementos simples. Soluciones sólidas.

•

Compuestos químicos.

•

Compuestos intermetálicos.

 

a) ELEMENTOS SIMPLES Cuando en una aleación, dos elementos simples, A y B componentes de la aleación, son incapaces de disolverse mutuamente en estado sólido y no reaccio reac cionan nan quím químicam icamente ente..

 

 –

Fig. 6.2 ALEACION CON ELEMENTOS SIMPLES MEZCLA MECANICA

 

b) SOLUCIONES SÓLIDAS. Es aquella en la que los elementos de la aleación son solubles entre sí, donde los átomos se mezclan en una misma la red del metal base. compuestas por un elemento solvente o disolvente en mayor proporción y un elemento soluto en menor   proporción. ‘Están

Existen dos clas ase es de sol olu ucio ione nes s sól óliida das: s: 1) So Solu luci cion ones es só sóli lida das s po porr sust sustit ituc ució ión. n. 2) Solu luc cio ione nes s sólid lidas po porr ins inserci ción ón..

 

b.1) SOLUCION SOLIDA POR SUSTITUCION Los átomos del soluto, sustituyen alg lgun unos os át átom omo os de dell solven entte Фátomos

del = Фátomos del

soluto

solvente

 

FIG. 6.3. SOLUCION SÓLIDA POR SUSTITUCION

 

b.2) SOLUCION SOLIDA POR INSERCION Los átomos del soluto se intercalan en los espacios interatómicos (intersticios) de la red del solvente (red (r ed matr matriz iz). ). Ф

átomos del <   Ф át átom omo os de dell soluto

solvente

 

Fig.6.4. SOLUCION SÓLIDA POR INSERCION.

 

Fig. 6.5. ESTRUCTURA CRISTALINA DE UNA ALEACION

 

c) COMPUEST COMPUESTOS OS QUÍMICOS. •

oc siócnomepsuteeqsu toiosmqéutírm ico(s (vAam pn otres la, reLla ica le,ncBian)) edsetánlosforcmoamdpoosne expresada por una fórmula sencilla, Ej. Fe3C (carburo de fierro) y tienen una red cristalina distinta y una temperatura de fuosm iópnue dsifteor.eL no tes a a pquueestto iesnq eu ním caicdoas ealesm fonrm l c colm uevnetzo pquueede foarn maer  soluc sol ucion iones es sól sólida idas. s. Estos son de dos tipos : (a) congruentes o estables y (b)) in (b inco cong ngru ruen ente tes s o in ines esta tabl bles es..

 

C.1 Compuesto químico estable o congruente.

Compuesto químico estable o congruente, que forma solución sólida.

Fig. 6.4. COMPUESTOS QUIMICOS EST ESTABLES ABLES PRESENTES EN UN DIAGRAMA DE EQUILIBRIO.

 

C.2 Compuesto químico incongruente o inestable.

Compuesto químico incongruente o inestable que forma solución sólida

Fig. 6.5. COMPUESTOS QUIMICOS INESTABLES PRESENTES EN UN DIAGRAMA DE EQUILIBRIO.

 

d) COMPUESTOS INTERMETALICOS. Se forman entre dos metales de los grupos siguientes: Co,, Ni, Pd, Pt, a)Cu, Ag, Au, Fe, Co b)Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si. Se caracterizan por tener una determinada relación entre los electrones de valencia con respecto al número de átomos, estas relaciones son : 3/2, 21/13, ó 7/4; donde el numerador indica el número de electrones y el denominador  el número de átomos; correspondiéndoles a cada relación una red cristalina determinada diferente a la de los elementos simples, pero en ella la distribución de átomos no es ordenada.

 

1.4 SISTEMA. La palabra sistema se usa en dos sentidos con relación a una aleación:  A) Se denomina sistema al cuerpo del material que se está tomando en consideración para su estudio, sin tomar en cuen enta ta su med ediio ambi bie ent nte. e. B) También se conoce como sistema a un conjunto de

alea al eaci cion ones es,, co comp mpue uest stas as po porr los los mism mismos os in ingr gred edie ient ntes es..

 

Fig. 6.6. SISTEMAS AISLADOS DEL MEDIO MEDIO AMBIENTE PARA PARA SU ESTUDIO

 

Fig. 6.7. SISTEMA DE ALEACIONES MEDIANTE SU DIAGRAMA DIAGRAMA DE EQUILIBRIO ALEACION METALICA

 

Fig. 6.7. SISTEMA DE ALEACIONES MEDIANTE SU DIAGRAMA DIAGRAMA DE EQUILIBRIO MATERIAL CERAMICO

 

1.5 FASE. Se define como fase a una porción homogénea de un sistema, que tiene propiedades físicas y químicas uniformes con características morfológicas iguales, que está separada de las demás partes del sistema por una zona de mezcla. Cada estado del material y cada forma alot al otrróp ópiica de est ste e rep eprresen entta una fase di differen entte. CARACTERISTICAS. 1. Tienen una misma estructura o arreglo atómico en todo el material. 2. Tienen aproximadamente una misma composición y propiedades. 3. Hay una interfase definida (zona de mezcla) entre una fase y cualquier otra que la rodea, o que sea su vecina.

 

1.6 CONSTITUYENTE. Es cualquier porción identificable microscópicamente en una aleación, las cuales tienen características propias, que las hace diferentes a otras del mismo sistema; por ejemplo la perlita que es una mezcla heterogénea de dos fases diferentes: de ferrita y cementita en razón de 88 % de ferrita y 12 % de cementita (Fe3 C). Es evidente que en el estado sólido, las fases identificables microscópicamente son siempre constituyentes, pero los cons onstituy uye ent nte es no siem emp pre son fase ases sim impl ples es..

 

1.7 COMPONENTE. Los componentes de una aleación son metales puros o los compuestos químicos que forman una aleación. Ejm. Aleación de Cu-Zn... Componentes Cu y Zn.  Aleación de Al-Cu... Componentes Al y Cu.  Aleación de Fe-C... Componentes C y Fe o CFe3 y Fe (acero).

 

1.8 EQUI UILI LIBR BRIO IO 1.8 EQ Se dice que una aleación está en equilibrio cuando al analizar un determinado punto del sistema, no hay cambio neto entre las cantidades y las composiciones de las fases presentes. En la mayoría de los metales al acercarse a la temperatura ambiente las velocidades de reacción se aproximan a cero (energía libre tiende a cero) y para fines prácticos las cantidades y las composiciones no cambian, por  lo qu que e hipo pottétic ica amen entte se encu ncuen enttra en equ quil iliibr briio.

 

1.9 9 DI DIA AGR GRAM AMA A DE EQ EQUI UILI LIBR BRIIO. 1. en sd ee nta ciómnug adeontdre e una alE esaclaiórne, pdro se ersátrfiacalaardeelaccuia ód naed xieslteenstte la temperatura, las composiciones y la cantidad de fases, en est sta ado est stab ablle. Los diagramas de equilibrio caracterizan el estado final de las aleaciones, este es, aquel que se ha obtenido después que en ella todas las transformaciones han tenido lugar y su cristalización ha terminado por completo.

 

fig. 6.8. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe - C

 

2. REGLA DE LAS FASES DE GIBBS La Regla de Fases o Regla de Gibbs, determina la relación que existe entre: el número de grados de libertad, el número de componentes, el número de factores externos y el número de fases; cuya relación se expresa por la ecuación siguiente. •

F=c+n-p Donde: F = Grados de libertad o variabilidad del sistema. c = Número de componentes que forman el sistema. n = Número de factores externos que afectan al sistema. p = Número de fases que se encuentran en equilibrio equilibrio..

 

 Al aplicar la regla de fases para sistemas metálicos se puede aceptar un factor externo que es la temperatura.

2,1 Grados de libertad en un sistema de aleaciones binaria •Cuando

al analizar cualquier punto de un sistema de aleaciones binario aplicando la regla de Gibbs, se obtiene. a) INV INVARIANTE. ARIANTE. Cuando el nú número mero de grados grad os de libertad es

cero (0). b) MONOV MONOVARIANTE. ARIANTE. Cuando el número de grados gra dos de liberta libertad d

es uno (1). c) BIV BIVARIANTE. ARIANTE. Cuando el número nú mero de grados grado s de libertad e es s dos (2).

 

3. SISTEMAS DE ALEACIONES BINARIAS 3.1 ALEACI ALEACIONES ONES ISOMORFAS BINARIAS HUME ROTHERY.

REGLA DE

En algunos sistemas binarios los dos componentes son completamente solubles entre si. En estos sistemas sólo existe una solución sólida para todas las composiciones de los componentes, llamándose a estos S IsSsigu TE Mient Antes Ses ISre Oglas Mas. OR las la si guie regl . FOS, para los cuales debe cumplirse

 

REGLAS DE HUME HU ME ROTHERY R OTHERY.. 1. Las estructuras cristalinas de cada elemento de la muestra debe de ben n ser iguale uales s. 2. El tamaño del diámetro de los átomos de cada uno de los elementos no deben diferir en mas del 15 %. 3. Los elementos no deben formar compuestos químicos entre si, debido a que no debe haber diferencias apreciables de elec electr tron oneg egat ativ ivid idad ades es de los los elem elemen enttos os.. 4. Los elementos deben tener la misma valencia, con el fin de evit ev itar ar la fo form rmac ació ión n co com mpu pues esto tos s qu quíími mico cos. s.

 

Fig. 6.9 Diagramas DE EQUILIBRIO DE SISTEMAS DE ALEACIONES ISOMORFAS BINARIAS

 

3.2 REGLA PALANCA REGLA DE LA PALANCA

Fig. 6.10 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO PARA DETERMINAR LA REGLA DE LA PALANCA

 

-

Para obtener las ecuaciones de la regla de la palanca se c on ider era dia iagr gra ama de qu quil iliibr briio is iso oymW oorfo inar ariio - ons Sesaid ,a laun composición de ela aleación labin  X  fracción en peso de B en A. Wl, % en peso de fase líquida y Ws, % en peso de la fase sólida (total). - Sea T T,la , lamezcla. tempe temperatura ratura a la cual s se e encuentra - Sea  Xl = fracción en peso de la fase líquida.  Xs = fracción en peso de la fase sólida. (en el punto de análisis a la temperatura T)  Xl + Xs = 1 ......(1)  Xl = 1 - Xs ......(2)

 

Haciendo balance de peso de la aleación en función de B Sea: Peso de B en la = Peso de B en la + Peso de B en la Mezcla de 2 fases fase líquida fase sólida. Wo = Xl Wl + Xs Ws   .....   (3) Combinando (2) y (3)

Wo = (1 - Xs) Wl + Xs Ws Wo = Wl - Xs Wl + Xs Ws Wo - Wl = Xs Ws - Xs Wl = Xs (Ws - Wl) Despejando fracción en peso de fase sólida  Xs (%Ws). →

 X S 



W 0



W l 

W S 



W l 

Despejando fracción en peso de la fase líquida  Xl (%Wl)  X l 

W S 



W 0



W S 



W l 

 

3.3 ALEACIONES BINARIAS CON EUTECTICA Y SOLUBILIDAD PARCIAL.  ALEACION EUTECTICA Son las aleaciones en las cuales el líquido al sub enfriarse a través del punto eutéctico tienen lugar una cristalización simultánea de las fases   α y   β a una temperatura constante y la mas baja para el sistema dado.

 

•

SOLUBILIDAD PARCIAL. SOLUBILIDAD

Mínima

Máxima

Solubilidad de B en A Solubilidad de A en B

•

•

SOLUCIONES SOLIDAS TERMINALES. Solución sólida del elemento A



Solución sólida del elemento B



FORMACION DE SOLUCIONES SOLIDAS PROEUTECTICAS DURANTE EL ENFRIAMIENTO

 

•

Aleación eutéctica.

•

Punto eutéctico • Isoterma eutéctica. •

Reacción invariante eutéctica. Liq.

 + 

•

Formación de sólido pro eutéctico.

•

Formación de sólido eutéctico.

• Aleaciones

hipo eutécticas. e utécticas.

• Aleaciones

hiper eutécticas. e utécticas.

 

PROBLEMA. Un kg de una aleación la cual contiene un 80 % en peso en B y un 20 % enypeso de A, enfría lentamente desde 700 ºC, utilizar el diagrama AB calcular lo se siguiente: a) Determinar las solubilidades de A y de B. b) La comp compo osi sici ció ón qu quím ímiica de la ale aleaci ció ón euté téct ctiica del si sist stem ema. a. c) Porcentaje en peso del líquido y del pro eutéctico    formado a 500 ºC. d) Porcentaje en peso del líquido y del pro eutéctico     justo encima de

la temp temper erat atur ura a euté eutéct ctic ica a (+δTº) y el peso en kg de esas fases. e) Peso en kg de    y    eutécticos cos formados por la reacc cciión invari ria ante

eutéctica. f)

Trazar la curva de enfriamiento TT de la aleación, indicando en cada tramo las fases presentes, así mismo haga un esquema micrográfico característico de cada zona de enfriamiento, indicando las fases presentes.

 

PROBLEMA Para el sistema de aleaciones mostrado en la Fig. 6.10, Pb   – Sn, se ha toum ótnam deen4t0 e iP b, lla c aladsoe un ea nfraílaealcein e%de en sdpees3o0d 0e ºS Cn. yC6a0lc% uleenypedseotedrm ne o siguiente: a) Haga un cuadro indicando las solubilidades de los elementos Pb y Sn

dell si de sist stem ema. a. b) Calcule el % en peso del líquido y el sólido    proe proeutect utectico ico presentes. presentes.

ctico forma mad do hasta un inst sta ante c) Calcule el % en peso del    proeutecti ante an tes s de prod produc ucir irse se la reac reacci ción ón inva invari rian ante te euté eutéct ctic ica. a. d) Calcule el % en peso del solido    y sólido    formado por la reacción

invariante. e) Trace la curva de enfriamiento TT desde 300ºC hasta la temperatura

ambi mbiente ente,, ind indican cando en cad cada tramo ramo las las fase fases s pre rese sent nte es. f)

Esquematice para cada tramo de enfriamiento de la aleación las microfotog micro fotografía rafías s correspon correspondien dientes tes

 

Fig. 6.10 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES BINARIAS CON EUTÉCTICA

EUTÉCTICA  

3.4 ALEACIONES BINARIAS CON EUTECTOIDE Y SOLUBILIDAD PARCIAL.

 

• Aleación

eutectoide

•

Punto eutectoide • Isoterma eutectoide. •

Reacción invariante eutectoide.

• •

Formación de sólido pro eutectoide. Formación de sólido eutectoide.

• Aleaciones

hipo eutectoide. eu tectoide.

• Aleaciones

hiper eutectoide. e utectoide.

 

3.5 ALEACIONES BINARIAS CON PERITECTICA Y SOLUBILIDAD PARCIAL.

 

• Aleación

peritéctica.

•

Punto peritéctica. • Isoterma peritéctica. •

Reacción invariante peritéctica.

•

Formación de sólido pro peritéctico. • Formación de sólido peritéctico. • Aleaciones

hipo peritécticas. pe ritécticas.

• Aleaciones

hiper peritécticas. pe ritécticas.

 

3.6 ALEACIONES BINARIAS CON PERITECTOID PERITECTOIDE EY SOLUBILIDAD PARCIAL.

 

• Aleación

peritectoide.

•

Punto peritectoide. • Isoterma peritectoide. •

Reacción invariante peritectoide.

•

Formación de sólido pro peritectoide. • Formación de sólido peritectoide. • Aleaciones

hipo peritectoides. pe ritectoides.

• Aleaciones

hiper peritectoides. pe ritectoides.

 

fig. 6.11 Sistema de ALEACIONES con : EUTECTICA, EUTECTOIDE,

PERITECTICA , PERITECTOIDE  

3.7 ALEACIONES BINARIAS CON MONOTECTICA Y SOLUBILIDAD PARCIAL.

 

• Aleación

monotéctica.

•

Punto monotéctico. • Isoterma monotéctica. •

Reacción invariante monotéctica.

•

Formación de sólido pro monotéctico. • Formación de líquido 2. • Aleaciones

hipo monotécticas. monoté cticas.

• Aleaciones

hiper monotécticas. mono técticas.

 

•

PROBLEMA

•

Para el sistema de aleaciones Ti-Ni Ti-Ni mostrado en la Fig. Nº 2, una aleación de 20 % en peso de Ni y 80% en peso de Ti, se enfría lentamente desde 1500 ºC, calcule y determine lo siguiente:

a) Llene el diagrama de equilibrio indicando en cada área o zona

las fases presentes. b) Trace el diagrama TT de enfriamiento lento desde 1500 ºC hasta

600 ºC, indicando en cada tramo las fases presentes. c) Indique los puntos de coexistencia de 3 fases fases (invariantes) del

sistema, con sus respectivos nombres, composición química e inecuaciones de reacción invariante. 1100 ºC calcule el % en peso de los d)  A la temperatura de 1100 constituyentes presentes. e) Un instante después de la reacción invariante 765ºC  – δT,

calcule el % en peso de los constituyentes presentes.

 

FIG. 6.12 SISTEMA DE ALEACIONES Ni-Ti

 

PROBLEMA Para el sistema de aleaciones Cu-Ni mostrado de la Fig. adjunta, una aleación de este sistema a 1300 ºC, contiene 35 % de líquido, determine la composición química de la aleación que se estudia.

   1  º    N .  g  i  F

 

4. ALEACIONES TERNARIAS Los diagramas de equilibrio ternarios (fases ternarias), representan el estado de equilibrio de las aleaciones ternarias; las diagramas se construyen norma rmalment nte e usa sand ndo o com omo o ba base se un trián ángu gullo eq equi uilá láttero. •

 

4.1 COMPO COMPOSICION SICION DE LAS ALEACIONES EN EN LOS DIAGRAMAS TERNARIOS. Consiste en trazar líneas paralelas. por el punto del cual se requiere conocer su composición, estas paralelas deben ser a los lados opuestos de cada vértice, el cual representa a un determinado elemento al 100 %, el punto donde intercepte al cateto, este indicará el porcentaje corr co rres espo pond ndie ient nte e del del el elem emen ento to..

 

Fig. 6.13 sistema de aleaciones ternarias

 

Cobre

Cinc

Níquel

Calidad

52

25

22

Primera calidad

59

30

11

Segunda calidad

63

31

6

Tercera calidad

FIG. 6.15 ALAEACIONES ALAEACIONES TERNARIAS- ALPACA ALPACA