Informe N°3 Diagrama de Fases
December 29, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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FISICOQUIMICA-DIAGRAMA MA DE FASES FISICOQUIMICA-DIAGRA
DIAGRAMA DE FASES
ORES, ARTURO PROFESOR: OBATO F ORES,
EONCIO
SEGURA TUMIA AN EDGAR FORTUNATO
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FISICOQUIMICA-DIAGRA FISICOQUIMICA-DIAGRAMA MA DE FASES
FUNDAMENTO TEORICO
En termodinámica termodinámica y cie cienci nciaa de materi materiale aless se denomin denominaa diagrama diagrama de fa fase se,, di diagr agram amaa de equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, sistema, en función de función de variables elegidas variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Los equilib equilibrio rioss entre entre fases fases pueden pueden corres correspond ponder er a los más variad variados os tipos tipos de sistem sistemas as heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equi equili libr briio con con un co com mpues puesto to form ormad ado o completamente el sistema.
ent entre el elllos, os, et etc. c. El objetivo objetivo es de desc scri ribi bir r
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FISICOQUIMICA-DIAGRA FISICOQUIMICA-DIAGRAMA MA DE FASES El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que gráficos que se conoc con ocen en como como diag diagra rama mass de fa fase se:: se ob obti tien enen en gr graf afic ican ando do en fu funci nción ón de va vari riab able less como presión como presión,, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de cambio de estado físico o de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de fases). La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales. A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como: 1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2.- Averi Averiguar guar la solubi solubilid lidad, ad, en el estado estado só sóli lido do y en el eq equi uili libri brio, o, de un el elem ement ento o (compuesto) en otro. 3.- Determ Determina inarr la temper temperatu atura ra en la cual cual una aleaci aleación ón enfria enfriada da bajo bajo condici condicione oness de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4.- Conocer la temperatura a la cual cu al comienzan a fundirse diferentes fases. Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen tienen aplica aplicacio ciones nes import important antes es en químic química, a, geolog geología ía y cienci cienciaa de los materi materiale ales. s. La ciencia de ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.
Conceptos Básicos
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Aleación: Es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está constituido por dos o más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es metal. Un sistema de aleación contiene todas las aleaciones que pueden formarse por varios elementos combinados en todas las proporciones posibles. Las aleaciones pueden clasificarse de acuerdo a su estructura, en tanto que los sistemas de aleación completos pueden clasificarse según el tipo de su equilibrio o de diagrama de fase.
Componente: Los componentes son metales puros, compuestos o ambos, de los cuales se compone una aleación. Por ejemplo, en un latón Cu-Zn, los componentes son cobre y zinc. Sistema: Puede hacer referencia a dos significados. En primer lugar, puede referirse a un cuerpo específico de material en estudio (por ejemplo, una cuchara de acero fundido). O bien, puede referirse a una serie de posibles aleaciones de los mismos componentes, pero sin considerar la composición de la aleación (por ejemplo, el sistema hierro-carbono). Soluto: Componente o elemento de una disolución presente en una composición menor. Se disuelve en el disolvente. Solvente: Componente o elemento de una disolución presente en una composición mayor. El solvente disuelve al soluto.
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Límite de solubilidad: Es la concentració concentración n máxima máxima de soluto soluto que se puede añadir sin que se forme una nueva fase. Disolución sólida: Consiste en átomos de por lo menos dos tipos diferentes, en donde los átomos de soluto ocupan posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente, conservando la estructura cristalina del disolvente. Fase: Es una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y
químicas uniformes. Todo material puro es de una fase (monofásico), al igual que cualquier cualqu ier disolución disolución sólida, sólida, líquida líquida o gaseosa. gaseosa. Por ejemplo, una disol disolución ución líquida de azúcar en agua es de una sola fase. Una disolución sobresaturada de azúcar en agua tiene dos fases: azúcar (sólida) y la solución de azúcar en agua (líquida). Tambié Tam bién, n, una sustan sustancia cia puede puede existi existirr en dos o más formas formas polimó polimórfi rficas cas (por (por ejemplo, si tiene estructuras cúbica de cuerpo centrada y cúbica de caras centrada). Cada una de estas estructuras es una fase separada porque sus características físicas respectivas son diferentes.
Energía Libre: Es una propiedad propiedad termodinámica, termodinámica, función función de la energía energía interna interna de un sistema y su entropía (aleatoriedad o desorden de los átomos o moléculas del
sistema).
Sistema en Equilibrio: Un sistema se dice que está en equilibrio si su energía libre es mínima, para una combinación específica de presión, temperatura y composición. Desde el punto de vista macroscópico, significa que las características del sistema no ca camb mbia ian n co con n el tiem tiempo po.. Es de deci cir, r, el si sist stem emaa es es esta tabl ble. e. Un ca camb mbio io de temperatura, presión y/o composición en un sistema en equilibrio, conducirá a un aumento en la energía libre y a un posible cambio espontáneo a otro estado de menor energía libre.
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Equilibrio metaestable: En algunos sistemas sólidos, la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio (estado de mínima energía) es tan lenta que no siempre se logra en un tiempo tiempo razonable. En estos casos casos,, y a los fines prácticos, prácticos, el sistema logra un equilibrio “metaestable” que puede persistir indefinidamente, o bien, experimentan cambios muy ligeros o casi imperceptibles a medida que q ue pasa el tiempo. Un ejemplo de equilibrio metaestable es el diamante (la forma estable es el grafito). Microestructura: Se re refi fier eree a la es estr truc uctu tura ra qu quee se re reve vela la po porr ob obse serv rvac ació ión n mi micr cros oscó cópi pica ca dire direct cta, a, por medi medio o de dell mi micr cros osco copi pio o óp ópti tico co o el elect ectró rónic nico. o. Una Una microestructura se caracteriza por el número de fases presentes, sus proporciones y la manera en que se distribuyen. La microestructura de una aleación depende de: elementos aleantes presentes, concentraciones, temperatura y tratamiento térmico de la aleación. Diagrama de fases: El diagrama de fase es la representación gráfica del estado de una aleación. Si varía la composición de la aleación, su temperatura, presión y el estado de la aleación también cambia, esto se refleja gráficamente en el diagrama de
estado. El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir, los estados que en unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. Por esto el diagrama de fases también puede llamarse diagrama de equilibrio, ya que indica las fases en equilibrio que existen en unas condiciones dadas. De acuerdo con esto, los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refieren a las condiciones de equilibrio, es decir, dec ir, en ausenci ausenciaa de sobrec sobrecale alentam ntamien iento to o subenf subenfria riamie miento nto.. Sin embarg embargo, o, las trans transfor formac macion iones es en equilib equilibrio rio,, es decir, decir, las transf transform ormaci acione oness en ausenci ausenciaa de subenfriamiento o sobrecalentamiento, no pueden realizarse en realidad, por lo cual el diagrama de fases representa un caso teórico y en la práctica se utiliza para
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FISICOQUIMICA-DIAGRAMA MA DE FASES FISICOQUIMICA-DIAGRA estu estudi diar ar la lass tran transf sfor orma maci cion ones es a pe pequ queña eñass veloc velocid idad ades es de calen calenta tami mien ento to o enfriamiento. Las regularidades generales de la existencia de las fases estables que responden a las condiciones teóricas del equilibrio pueden expresarse en forma matemática por medio de la llamada regla de las fases o ley de Gibbs. La regla de las fases es la expresión matemática de las condiciones de equilibrio del sistema, es decir, la ecuación de la regla de las fases indica la dependencia cuantitativa entre el número de grados de libertad del sistema c y el número de componentes k y de fases f: c = k –f +2
La regla de las fases, como se dijo anteriormente, da la dependencia cuantitativa entre el grado de libertad del sistema y el número de fases y componentes. Las palabras "fase" y "componente" se utilizan, al estudiar la regla de las fases, hay que definir estos conceptos de un modo más exacto.
MATERIALES Y EQUIPOS
MATERIALES Pb y Sn puro 1 horno de laboratorio a gas.
1 crisol de grafto, carburo de silicio o porcelana de 50 ml de capacidad
1 mechero de gas, 1 bagueta
1 termómetro de -10 a 420°C
1 soporte universal y 1 pinza para sujetar el termómetro 1 lingotera y una balanza
1 pinza para sujetar el crisol, y cronómetro
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PROCEDIMIENTO 1. Pesamos Pesamos las cantidades cantidades de Plomo (Pb) y Estaño Estaño (Sn) requeridas requeridas para para elaborar elaborar aleación de los metales.
la
2. Armamos el equipo tal como se muestra en la imagen.
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3. Colocamos le Crisol con el Sn y el Pb dentro del horno.
4. Prendemos el Mechero y lo colocamos debajo del crisol y esperamos a que los metales se licuen.
5. Agitamos Agitamos la solución solución con la bagueta para homogeneizarl homogeneizarlaa y apagamos apagamos le mechero, mechero, introducimos el termómetro para medir la temperatura.
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6. Una vez que la temperatura ha llegado a su punto máximo y comienza el descenso comenzamos a tomar mediciones de la temperatura a intervalos de 5 segundos hasta que la solución haya solidificado por completo.
7. Calentamos una vez más hasta lograr retirar el termómetro y conseguir una solución líquida.
8. Vertemos la solución mientras se encuentra líquida en la lingotera que ha sido previamente calentada y conseguimos un lingote de forma cónica.
CUESTIONARIO 7.1. Adjuntar los datos proporcionados por el profesor
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T Tiempo T Tiempo T Tiemp T (°C) (s) (°C) (s) (°C) MA DE o FASES (°C) FISICOQUIMICA-DIAGRAMA FISICOQUIMICA-DIAGRA (s) 345 0 330 0 300 0 330
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FISICOQUIMICA-DIAGRA FISICOQUIMICA-DIAGRAMA MA DE FASES
7.2. Gracando las curvas de enfriamiento
Curvas de enfriamiento 400 350
) C ° ( a r u t a r e p m e T
95% Pb 88% Pb
300
80% Pb 250
78% Pb
200
75% Pb
150
60% Pb 40% Pb
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30% Pb
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20% Pb
0 0
500
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Tiempo (s)
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Diagrama de fases Pb - Sn (experimental) 350 300 250 ) C ° ( a r u t a r e p m e T
200 150 100 50 0
0
10
20
30
40
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60
70
80
90
100
Composición Compo sición (% Sn)
7.3. Gracando el diagrama de fases
Diagrama de fases teórico Diagrama de Fase (Pb - Sn) 350
350
300
300
250
250
) C ° ( 200 a r u t a r e 150 p m e T
200
183 °C
19%
61.9%
97.5%
100
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Composición (%masa)
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100
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7.4. Aplicaciones del Pb, Sn y aleaciones Aplicaciones del plomo El plomo es un metal pesado (densidad relava, o gravedad específca, de 11,4 a 16ºC), de color azuloso, que se empaña para adquirir un color gris mate. Es exible, inelásco, se unde con acilidad, su undición se produce a 327,4ºC y hierve a 1725ºC. Es relavamente resistente al ataque de ácido sulúrico y ácido clorhídrico. Pero se disuelve con lentud en ácido nítrico. El plomo es anótero, ya que orma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del ácido plúmbico. El plomo orma muchas sales, óxidos y compuestos organometálicos. organometálicos. Industrialmente, sus compuestos más importantes son los óxidos de plomo y el tetraelo de plomo. El plomo orma aleaciones con muchos metales y, en general, se em empl plea ea en es esta ta orm ormaa en la ma mayo yorr part partee de su suss ap aplilica cacio cione nes. s. Toda Todass las las aleaciones ormadas con estaño, cobre, arsénico, anmonio, bismuto, cadmio y sodio enen importancia industrial. Los compuestos del plomo son tóxicos y han producido envenenamiento de trabajadores por su uso inadecuado y por una exposición excesiva a los mismos. El mayor peligro proviene de la inhalación de vapor o de polvo. En el caso de los compuestos órgano plúmbicos, la absorción a través de la piel puede llegar a ser signifcava. Algunos de los síntomas de envenenamiento por plomo son dolor de cabeza cab eza,, vér vérgo go e ins insomn omnio. io. En los casos agud agudos, os, por lo com común ún se pre presen senta ta estupor, el cual progresa hasta el coma y termina en la muerte. El us uso o má máss am ampl plio io del del pl plom omo, o, co como mo ta tal, l, se en encu cuen entr traa en la a abr brica icaci ción ón de ac acum umul ulad ador ores es.. Ot Otra rass ap aplilica caci cion ones es impo import rtan ante tess so son n la a abr bric icac ació ión n de tetrae tet raelp lplom lomo, o, or orros ros pa para ra cab cables les,, ele elemen mentos tos de con constr strucc ucción ión,, pig pigmen mentos tos,, soldadura suave, municiones y plomadas para pesca. Merced a su excelente resistencia a la corrosión, el plomo encuentra un amplio uso en la construcción, en parcular en la industria química. Es resistente al ataqu ata quee por pa parte rte de mu mucho choss áci ácidos dos,, por porque que or orma ma su propio propio rev reves esmien miento to
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protector de óxido. Como consecuencia de esta caracterísca ventajosa, el plomo se uliza mucho en la abricación y el manejo del ácido sulúrico.
Aplicaciones del estaño
El estaño se uliza en el e l revesmiento de acero para protegerlo de la corrosión. La hojalata, acero estañado, sigue siendo un material importante en la industria conserves y desno de aproximadamente la mitad del estaño metálico producido en el mu mund ndo o au aunq nque ue es está tá sien siendo do desp despla laza zado do por por el al alum umin inio io.. La se segu gund ndaa aplicación en importancia es la soldadura blanda de tuberías y circuitos eléctricos y electrónicos. El estaño también debido a su estabilidad y su alta de toxicidad se uliza como recubrimien recub rimiento to de meta metales: les: recubrim recubrimiento iento de hierro hierro (hojalata) para la industria co cons nser erve vera ra,, lo qu quee se ha hace ce po porr elec electr tról ólis isis is o inme inmers rsió ión. n. Es Esto to cons consum umee aproximadamentee el 40% del estaño. aproximadament Con los metales orma aleaciones: bronces (cobre ( cobre-estaño), -estaño), estaño de soldar (64% estañ est año, o, 36% plomo plomo,, punto de usión 181ºC), metal de imprenta (hasta 15% de estaño) y para abricar cojinetes (30% estaño, anmonio y cobre). Es interesante la aleac aleació ión n de niobio niobio-estaño -estaño superconductora a muy bajas temperaturas. Esto puede pue de ser imp import ortant antee en la con constr strucc ucción ión de ima imanes nes sup superc ercond onduct uctore oress que generan uerzas muy grandes con poca potencia: conectados a una pequeña batería y con un peso de pocos kg, generan campos magnécos con una uerza comparable a la de los electroimanes normales de 100 toneladas y, además, éstos úlmos úl mos en enen en qu quee est estar ar con conect ectad ados os con connu nuame amente nte a una gra gran n ue uente nte de alimentación. Entre los compuestos destaca el cloruro de estaño (II), que se usa como agente reductor y como mordiente de telas calicó. El hidruro de estaño (IV) descompone por encima de los 150ºC y orma un espejo de estaño en las paredes del recipiente. Las sales de estaño pulverizadas sobre vidrio se ulizan para producir capas conductoras que se usan en paneles luminosos y caleacción de cristales de
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coches. Pequeñas candades de estaño en los alimentos enlatados no es peligroso. Los compuestos trialquil y triaril estaño se usan como biácidas y deben manejarse con cuidado. El hidruro de estaño (IV) es un gas venenoso.
Aleaciones de estaño-plomo para soldadura blanda Cuadro para la selección de aleaciones
La gama incluye aleaciones con composiciones que van desde un 60 % estaño a un 40 % plomo con una gama corta de temperaturas de usión comprendida entre 183 y 190 °C, de termouidez relavamente libre y extensamente ulizadas para la soldadura blanda de cobre y aleaciones de cobre. Las estaño-plomo conmayor un contenido de de estaño del si30bien al 40sus % gamas de son unaaleaciones alternavade económica a las de contenido estaño, de temperaturas de usión son mucho más extensas y su termouidez es menor. Su amplia gama de temperaturas de usión les hace úles cuando no se pueda manten man tener er el con contro troll del hu huelg elgo o de la un unión ión.. Todas Todas est estas as ale aleaci acione oness pueden pueden obtenerse con núcleo de undente, bien de ácido inorgánico i norgánico o de resina, según las prescripciones para la aplicación. Otras aleaciones de estaño y de estaño-plomo aplicables a BS.EN 29453:1994. Pueden suministrarse de conormidad a las normas nacionales, entre otras, y su disponibi disp onibilidad lidad debe consu consultars ltarsee con un repre representa sentante nte de vent ventas as de John Johnson son Mahey.
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Aplicaciones de este producto La ulización de plomo en los productos se va reconociendo progresivamente como indeseable, tanto en términos de su repercusión medioambiental a largo plazo como en la capacidad de reciclaje de dichos productos. Por consiguiente, la uliliza u zaci ción ón de me meta tale less de ap apor orta taci ción ón qu quee cont conten enga gan n pl plom omo o con connu nuar aráá reduciéndose. La Direcva 2000/53/CE relava a los vehículos al fnal de su vida úl, la Direcva 2002 2002/9 /95/ 5/ sobr sobree re rest stri ricci ccion ones es a la u uliz lizac ació ión n de dete determ rmin inad adas as su sust stan ancia ciass peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos y la Direcva 2002/96/ sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE) prohíben la ulización de determ det ermina inadas das sus sustan tancia ciass pel peligr igrosa osas, s, inc inclui luidos dos los ma mater terial iales es que con conten tenga gan n plomo. La ulización de plomo en los sistemas de agua potable se ha prohibido en Europa y en muchos países de todo el mundo. Pese a tales consideraciones, un gran número de empresas connúa ulizando metales de aportación con contenido de plomo. Se tendrán en cuenta alternavas sin plomo, tales como las de 99C™, 97C™ y P40™ siempre que sea posible.
7.5. Otros métodos experimentales para la construcción de diagramas de fases Lo Loss dato datoss para para co cons nstr trui uirr di diag agra rama mass de eq equi uilib libri rio o o di diag agra rama mass de a ase se se determinan experimentalmente por diversos métodos, entre los cuales los más comunes son: A) Análisis Térmico: Este es el método más usado, cuando se hace un diagrama de temperatura contra empo, a composición constante, la curva mostrará un cambio de pendiente cuando ocurre un cambio de ase. Este método parece ser mejor para determinar la temperatura de solidifcación inicial y fnal.
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Este método es el que se ha seguido en esta prácca de laboratorio, obteniendo los datos correspondientes para la elaboración del diagrama de ases. B) Métodos Métalo-grácos: Estos consisten en calentar muestras de una aleación a dierentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca y entonces se enrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura, entonces las muestras se analizan al microscopio. Es complicado aplicar este método a metales a altas temperaturas, ya que las muestr mue stras as en enria riada dass ráp rápida idamen mente te no sie siempr mpree re reene enen n su est estruc ructur turaa de alt altaa temperatura. C) Difracción de Rayos X: Este método mide las dimensiones de la red, indicada la aparición de una nueva ase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por la aparición de una nueva estructura cristalina.
7.6. Descripción de los diagramas de fases DIAGRAMA DE FASES DE UN SOLO COMPONENTE Los diagramas de ases de esta sección corresponden para una sustancia pura (la composición se manene constante). Esto signifca que las únicas variables de interés son la presión y la temperatura. Por ello, estos diagramas se conocen como diagrama P-T. El diagrama P-T del agua se muestra en la Figura 1, donde se observan regiones para tres ases dierentes: sólido, líquido y vapor. Cada una de las ases existe en condiciones de equilibrio a través de los intervalos presión-temperatura de su área correspondiente.
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Cada una de las tres curvas de este diagrama (aO, bO y cO) son límites de ases. Cualquier punto de estas curvas representa un equilibrio entre las dos ases a cada lado. También, al cruzar una línea (al variar la presión o la temperatura), una ase se transorma en otra. Por ejemplo, a una presión de 1 atm, durante el calentamiento, ocurrirá la usión del hielo a 0°C y posteriormente la vaporización del líquido a 100°C (punto 2 y 3 de llaa Figura 1, respecvamente).
Figura 1. Diagrama de fases de Presión-Temperatura para el agua. CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UN COMPONENTE PURO El análisis térmico es el estudio de la variación de temperatura que experimenta un metal o aleación durante su calentamiento o enriamiento. Si se suministra calor a un material metálico, éste experimentará un aumento de temperatura. Con candades de calor constante por unidad de empo se tendrá una elevación connu con nuaa de tem temper perat atura ura en el ma mater terial ial,, sie siempr mpree que éste éste no exp experi erimen mente te tran trans sor orma maci ción ón algu alguna na.. La re repr pres esen enta taci ción ón gr gráf áfca ca de la vari variac ació ión n de la temperatura del material con el empo se denomina curva de calentamiento o curva de enriamiento. Un metal que no experimenta transormación alguna en el rango ran go de tem temper perat atura urass con consid sidera erada das, s, pos posee ee las cur curvas vas de cal calent entami amient ento o y enriamiento que se muestra en la Figura 2.
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Figura 2. Curva de calentamiento (izq) y de enfriamiento (der) de un sistema sin cambio de fases.
La Lass tran trans sor orma maci cion ones es de ase asess ocur ocurre ren n ge gene nera ralm lmen ente te con con ab abso sorc rció ión n o desprendimiento de energía. Si durante el enriamiento de un metal éste pasa por una temperat temperatura ura a la cua cuall ocu ocurre rre un cam cambio bio microe microestr struct uctura ural,l, su curva curva de enriamiento presentará una inexión. Así, por ejemplo, la curva de enriamiento de un metal puro presenta una meseta que corresponde a su temperatura de so solid lidif ifca cació ción n (F (Fig igur uraa 3) 3).. Un Unaa ve vezz co comp mplet letad adaa la so solilidi difc fcac ació ión, n, la curv curvaa de enriamiento connúa su descenso.
Figura 3. Izq. Curva de enfriamiento de un metal puro. Izq. Se muestra la meseta durante la solidicación. Der. Subenfriamiento necesario para comenzar la solidicación.
En la prá prácca cca sue suele le nec necesi esita tarse rse un peq pequeñ ueño o sub suben enria riamie miento nto par paraa log lograr rar el comienzo de la solidifcación (Figura 3). Una vez comenzada la cristalización, la temperatura sube hasta el valor que le corresponde y se manene constante durante toda la solidifcación. Luego sigue el enriamiento, ya en ase sólida. DIAGRAMA DE FASES BINARIOS
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Los diagramas de ases binarios enen sólo dos componentes. En ellos la presión se manene constante, generalmente a 1 atm. Los parámetros variables son la temperatura y la composición. Los diagramas de ases binarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura, composición y candad c andad de ases en equilibrio, las cuales inuyen en la microestructura de una aleación. Muchas microestructuras se desarrollan a parr de transormaciones de ases, que son los cambios que ocurren entre las ases cuando se altera la temperatura (en general, en el enriamiento). Esto puede implicar la transición de una ase a otra, o la aparición o desaparición de una ase.
Sistemas Isomorfos Binarios Los sistemas binarios se denominan isomoros cuando existe solubilidad completa de los dos componentes en estado líquido y sólido. Para que ocurra solubilidad completa en estado sólido, ambos elementos aleantes deben tener la misma estructura cristalina, radios atómicos y electronegavidades casi iguales y valencias similares. Éste es el caso del sistema Cobre-Níquel que se muestra en la Figura 4.
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FISICOQUIMICA-DIAGRAMA MA DE FASES FISICOQUIMICA-DIAGRA Figura 4. Parte del diagrama de fases del sistema Cu-Ni ampliado en el punto B.
En el diagrama aparecen tres regiones o campos de ases. Un campo ala (α), un campo líquido (L) y un campo biásico (α + L). Cada región está defnida por la ase o ases existentes en el intervalo de temperaturas y composiciones acotadas por los límites de ases. El líquido L es una disolución líquida homogénea compuesta de cobre y níquel. La ase α es una disolución sólida sustucional que consiste de átomos de Cu y Ni, de estructura cúbica de caras centrada. A temperaturas ineriores a 1080°C, el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido para todas las composiciones, razón por la cual el sistema se denomina isomoro. El calentamiento del cobre puro corresponde al desplazamiento vercal hacia arriba en el eje izquierdo de temperaturas. El cobre permanecerá solido hasta que que alca alcanc ncee su te temp mper erat atur uraa de u usi sión ón (1 (108 085° 5°C) C),, en do dond ndee oc ocur urri rirá rá la transormación de sólido a líquido. La temperatura no se incrementará hasta tanto no termine la usión completa de todo el sólido. En una composición dierente a la de los componentes puros, la usión ocurrirá en un intervalo de temperaturas entre líquidos y sólidos. Ambas ases (sólido y líquido) estarán en equilibrio dentro de este intervalo de temperaturas. Interpretación de los diagramas de fases Nomenclatura Letras griegas minúsculas (α, β, γ, etc.): cada una de ellas representa una solución sólida. Líquidos: Línea que separa los campos de ases L y (L+α1). Por encima
de la línea liquidus, se ene ase líquida a todas temperaturas y composiciones. Sólidos: Línea que separa los campos de ases α1 y (L+α). Por debajo de la línea solidus, se ene ase sólida (α) a todas temperaturas y composiciones.
Desarrollo de microestructuras en aleaciones isomorfas Se debe destacar que los diagramas de ases permiten idenfcar cuáles son las a ase sess que que es esta tará rán n pr pres esen ente tess en equilibrio Esto sign signif ifca ca que que lo loss camb cambio ioss de equilibrio. Esto
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temperatura, ya sea durante el enriamiento o durante el calentamiento, deben ser lo sufcientemente lentas como para lograr que se alcancen a redistribuir los elementos aleantes (por diusión), según el diagrama de ases. Dado que no siempre se alcanzan las condiciones de equilibrio, a connuación se explicará el proceso de ormación de las microestructuras, ya sea mediante un enriamiento en equilibrio como en uno de no equilibrio. Enfriamiento en equilibrio Se considera el sistema 35%wt Cu - 65%wt Ni de la Figura 5 a medida que se enría desde 1300°C. A 1300°C (punto a), la aleación es 100% líquido. La composición del líquido es 35%wt Cu - 65%wt. A medida que se inicia el enriamiento, no ocurrirán cambios en la microestructura o en la composición hasta tanto no se alcance la línea liquidus (punto b, a 1260°C).
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Figura 5. Sistema Cu-Ni y su representación en la evolución de microestructuras durante la solidicación en equilibrio.
Una vez que se alcanza el punto b (1260°C), comienza a ormarse los primeros cristales de sólido α. La microestructura se muestra en la Figura 5. Consiste de una matriz de líquido L con cristales incipientes de sólido α. La composición del sólido α se determina a parr de la isoterma que pasa por el punto b, es decir 46%wt Ni (en la Figura 5 se muestra como “ α(46 Ni)”). La composición del líquido todavía es 35%wt Ni, que lógicamente difere a la del sólido α. A medida que connúa el enriamiento, cambiarán tanto las composiciones como las candades relavas de cada ase. La composición del líquido L seguirá la línea liquidus y la composición del sólido α seguirá la línea solidus. Además, la racción en peso de sólido α aumentará a medida que progresa el enriamiento. Para que todo esto ocurra, es necesario una redistribución de ambos elementos aleantes (Cu y Ni) en cada una de las ases, según las composiciones de equilibrio. Debe destacarse que la composición global de la aleación permanece sin cambio c ambio durante el enriamiento 35%wt Cu - 65%wt Ni), aun cuando el cobre y el níquel se redistribuyan en cada una de las ases. A 1250°C (punto c), la composición de la ase líquida es 32%wtNi-68%wtCu. La compos com posició ición n de dell sólid sólido o α es 43% 43%wtN wtNi-5 i-57%w 7%wtCu tCu.. En cuanto cuanto a las can canda dades des relavas de cada ase, la regla de la palanca inversa indica que las racciones en peso para el líquido y el sólido α son 0.73 y 0.27, respecvamente. Esto signifca que si hipotécamente se pudiese extraer cada uno de los cristales de sólido α que se ormaron en equilibrio y a esta temperatura, y se los pesaran, se encontrará que se ene un 27% en peso de sólido respecto del peso total de la aleación original. Es decir, si se paró de 1kg de aleación (mezclando 350g de Ni con 650g de Cu), entonces el sólido α a 1250°C pesará 270g (de los cuales 270g x 0.43 = 116.1g son de Ni). En el punto d (a 1220°C), el proceso de solidifcación práccamente ha terminado, excepto por los úlmos vesgios de líquido l íquido que está por solidifcar. La composición del sólido α es la de la aleación global (35%wtNi). La composición del úlmo líquido en solidifcar es 24%wtNi.
Al cr cruz uzar ar la líne líneaa soli solidu dus, s, solid solidif ifca ca todo todo el líqui líquido do re rema mane nent nte, e, obte obteni nien endo do fnalmente una solución sólida policristalina de ase α que ene una composición
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uni unior orme me de 35 35%w %wtN tNii-65 65%w %wtC tCu u (p (pun unto to e) e).. Un enr enria iami mien ento to po post ster erio iorr a temper tem peratu atura ra am ambie biente nte no ae aecta ctará rá la mic microe roestr struct uctura ura ni la com compos posició ición. n. La microestructura resultante resultante se muestra en la Figura 6.
Figura 6.
Aleación C72500 (Cu, 10% Ni, 2% Sn). Unidad de escala: 25Micrones
Enfriamiento en condiciones de no equilibrio Las condiciones de solidifcación y el desarrollo de microestructuras de equilibrio se alcanzan sólo a velocidades de enriamiento muy lentas. La razón de esto es que con los cambios de temperatura debe haber reajustes en las composiciones de las ases sólidas y líquidas, según rige el diagrama de ases (es decir, con la línea liquidus y solidus). Estos reajustes se logran mediante procesos de diusión en las ases sólida, líquida y en la interase. Dado que la diusión es un proceso que depende del empo, para conservar el equilibrio durante el enriamiento debee exis deb exisr r el su sufcie fciente nte empo a cad cadaa tem temper peratu atura ra pa para ra po poder der log logra rarr los reajustes necesarios en la composición química de cada ase. Las velocidades de diusión son especialmente bajas en la ase sólida y en ambas ases disminuye al bajar baj ar la tem temper perat atura ura.. En tod todas as las sit situa uacion ciones es prá prácc ccas as de sol solidi idifca fcación ción,, las las velocidades de enriamiento son demasiado rápidas para permir estos reajustes de composición, así como la conservación del equilibrio. Como consecuencia, se generan otras microestructuras que diferen de la sección anterior. Se considera el sistema 35%wt Cu - 65%wt Ni de la Figura 7 a medida que se enría desde 1300°C a una velocidad lo sufcientemente rápido como para no lograr
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condiciones de equilibrio en el sólido (aunque si en el líquido, por ser mayor la velocidad de diusión). A 1300°C (punto a’), la aleación es 100% líquido. La composición del líquido es 35%wt Cu - 65%wt. A medida que se inicia el enriamiento, no ocurrirán cambios en la microestructura o en la composición hasta tanto no se alcance la línea liquidus (punto b’, a 1260°C). En el punto b’ (a 1260°C) se orman los primeros cristales de ase α con una composición 46%wtNi-64%wtCu. Al alcanzar el punto c’ (a 1240°C), la composición del líquido es 29%wtNi. A esta temperatura, la composición de la ase α que acaba de solidifcar es 40%wtNi. Sin embargo, dado que la diusión del sólido α es relavamente lento, la composición del sólido α que se ormó en b’ no se ha modifcado. Esto signifca que en esta instancia, la microestructura consiste de cristales de sólido α con 46%wtNi en su núcleo y 40%wtNi en la perieria del cristal. Dicho de otra orma, el porcentaje de Ni en los cristales de sólido α varía radialmente de 46%wt en el núcleo hasta 40%wt en la perieria. Como resultado, se considera que la composición real del sólido α en el punto c’ será un promedio ponderado, siendo el porcentaje de Ni menor que 46%wt (el primer pri mer cri crista stall en sol solidi idifca fcar) r) per pero o ma mayor yor que 40%wt 40%wt.. Mie Mientr ntras as men menor or sea la velocidad de enriamiento, el promedio ponderado será más cercano a 40%wtNi (aproximación a la condición de equilibrio) y viceversa. vi ceversa. Digamos, por ejemplo, que la velocidad de enriamiento ue tal que el promedio ponderado resulta ser 42%wtNi según se muestra en la Figura 7. Si ahora se aplica la regla de la palanca (teniendo en cuenta que la composición del sólido α es 42%wtNi según promedio ponderado ponderado), ), se tendrá mayor proporción de líquido que lo indicado por las condiciones de equilibrio. Una vez más, esto se debe a que la línea solidus ha sido virtualmente desplazada a hacia la derecha por ser una solidifcación de no equilibrio, representada por la línea de trazos en la Figura 7.
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En el punto d’ (a 1220°C), la solidifcación debería estar completa según el diagrama de equilibrio. Sin embargo no es así. En la situación uera de equilibrio, todavía existe una proporción importante de líquido remanente2. La ase α que se está ormando a 1220°C ene compos com posició ición n 35% 35%wtN wtNii (en la perieria) en contraste con los 46%wt 46%wtNi Ni que que exis existe ten n en los los ce cent ntro ross de ca cada da uno uno de los los cr cris ista tale less α. Nu Nuev evam amen ente te y para para los los fnes fnes di didá dác cco cos, s, se asume un promedio ponderado de, digamos, 38%wtNi para la ase α. La so soli lidi difc fcaaci ción ón uer ueraa de equilibrio se completa fnalmente en el punto de e’ (a 1205°C). La composición la úlma ase α en solidifcar es 31% 1%wt wtNi Ni.. La com compo possic ició ión n promedio de todo el sólido α es 35%wtNi, la cual es igual a la co comp mpos osic ició ión n gl glob obal al de la aleación. En el punto ’ de la Figura 7 se muestra cómo quedaría la microestructura resultante del material totalmente sólido.
Figura 7. Sistema Cu-Ni y su representación en la evolución de microestructuras microestructuras durante la solidicación fuera del equilibrio.
El grado de desplazamiento de la curva solidus uera de equilibrio respecto a la curva en equilibrio depende de la velocidad de enriamiento. A menor velocidad de enriamiento, menor este desplazamiento y viceversa. El enómeno por el cual la composición química no es uniorme en el sólido, según se ac acab abaa de desc descri ribi bir, r, se co cono noce ce co como mo segregación. Dicho de otra orma, se enende por segregación al enómeno por el cual se establecen gradientes de
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composición química a través de los granos, generado por condiciones de no equilibrio. La condición de no equilibrio se genera por una alta velocidad de enriamiento. Este po de microestructura “en capas” con un núcleo central disnto del resto se conoce como estructura segregada y se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Microestructura de una pieza recién fundida de 70% Cu-30% Ni mostrando una estructura con gradientes de concentraciones (segregación).
Una undición, por ejemplo, puede tener estructuras segregadas. Cuando esta undición se vuelve a calentar, las regiones segregadas más cercanas a los límites de grano se undirán primero por ser más rico en el aleante de menor punto de usión. Esto genera una pérdida repenna en la integridad mecánica de la pieza debido a la delgada película de líquido que rodean los granos. La se segr greg egac ació ión n pued puedee elim elimin inar arse se me medi dian ante te un trat tratam amien iento to térm térmico ico de homogeneización a una temperatura inerior a la de solidus, y por supuesto, inerior a la temperatura de usión de la ase que rodea los bordes de grano. En estee pro est proces ceso o ocu ocurre rre la di diusi usión ón de los átomo átomoss ale alean antes tes,, red redist istrib ribuyé uyéndo ndose, se, alcanzando la composición de equilibrio luego de un empo lo sufcientemente largo. CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE SISTEMAS ISOMORFOS
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La Figura 9 muestra la curva de enriamiento para una aleación Cu-40%wtNi, a bajas velocidades de enriamiento (condición de equilibrio en todo momento). Se observa que los sistemas isomoros solidifcan en un intervalo de temperaturas, a dierencia de los componentes puros que presentan una meseta horizontal.
Figura 9. Curva 9. Curva de enriamiento de una aleación isomora. Los cambios de pendiente de la curva de enriamiento marcan las temperaturas liquidus y solidus, es decir, el comienzo y el fn de la solidifcación. El intervalo de solidifcación toma disntos valores de acuerdo a la concentración de los componentes de la aleación. Así, por ejemplo, siendo A y B los componentes de una una solu solució ción n sólid sólida, a, se pued puedee dete determ rmin inar ar to toda da una una ga gama ma de curv curvas as de enriamiento, según se muestra en la Figura 10.
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Figura 10. Diferentes curvas de enfriamiento de una aleación isomorfa, para diferentes contenidos de aleante.
Si se representa esta serie de curvas en un solo diagrama, indicando sobre las ordenadas las temperaturas y sobre las abscisas las concentraciones de B en A, se obene la Figura 11. Al unir todos los puntos de comienzo y todos los de fn de la solidifcación, se obene el diagrama de transormación de la aleación, que en este caso está constuido por dos curvas: la superior o liquidus, por arriba de la cual toda la aleación se encuentra en estado líquido, y la inerior o solidus, por debajo de la cual toda la aleación está en estado sólido. Entre ambas curvas coexisten ambas ases (sólido y líquido) en equilibrio.
Figura 11. Principio básico para la construcción de un diagrama de fases isomorfo a parr de curvas de enfriamiento.
Sistemas Eutéccos Binarios
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En la Figura 12 se muestra un diagrama eutécco binario, parcialmente solubles en estado sólido. En el diagrama se idenfcan tres regiones monoásicas: α, β y líquido. El sólido α es una solución sólida rica en cobre, ene plata como soluto y la estructura cristalina es cúbica de caras centrada. El sólido β es una solución sólida rica en plata, ene cobre como soluto y la estructura cristalina también es cúbica de caras centrada. Ca Cada da uno uno de los los sólid sólidos os α y β e ene nen n so solu lubi bililida dad d lim limit itad ada, a, ya que que para para una una temperatura inerior a la línea BEG, sólo se disolverá en el cobre una candad limitada de plata (para ormar la ase α) y viceversa. La línea CB, conocida como solvus,, separa las regiones de ases α y (α + β) y representa el límite de solubilidad solvus de plata (soluto) en cobre (solvente). La solubilidad máxima de plata en cobre se alcanza en el punto B (a 779°C, 8%wtAg). Análogamente, la línea GH también se conoce como solvus y representa el límite de solubilidad de cobre (soluto) en plata (solvente). La solubilidad máxima de cobre en plata se alcanza en el punto G (a 779°C, 91.2%wtAg). Las solubilidades de ambas ases sólidas disminuyen para temperaturas mayores o menores a 779°C. Esta temperatura se denota como TE y corresponde a la temperatura del eutécco (se explicará más adelante). La línea BEG es paralela al eje de composiciones y se exende entre los límites máxim má ximos os de solu solubi bililida dad d de ca cada da ase ase só sólid lida. a. Ju Junt nto o con con las las línea líneass AB y FG FG,, represent repr esentan an la línea sol solidu iduss y corresponde a la temperatura más baja a la cual puede exisr ase líquida para cualquier composición de Cu y Ag en equilibrio.
de Figura 12. Diagrama fases Cobre-Plata. Cobre-Plata.
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En el sistema Cu-Ag existen tres regiones biásicas: (α + líquido), (β + líquido) y (α + β). Las composiciones y candades relavas de cada ase pueden determinarse según isotermas y regla de la palanca inversa, según se describió en la sección 3.1.1. Al ag agre rega garr pl plat ataa al co cobr bre, e, la te temp mper erat atur uraa a la cual cual las las al alea eacio cione ness se hacen hacen totalm tot alment entee líquid líquidaa dis dismin minuye uye a lo lar largo go de la línea línea liquid liquidus us (línea AE). De este modo, la temperatura de usión del cobre disminuye a medida que se le agrega plata. Lo mismo ocurre con la plata cuando se le agrega cobre sobre la línea FE. Estas líneas liquidus se unen en el punto E del diagrama de ases, a través de la cual también pasa la isoterma BEG (también conocida como isoterma eutécca). El punto E se denomina punto invariante, el cual está designado por la composición eutécca CE y la temperatura eutécca TE. Una aleación de este po (eutécca binaria) de composición CE ene una reacción importante cuando cambia su temperatura al pasar por TE. Esta reacción, conocida como reacción eutécca, eutécca, puede escribirse como:
En esta reacción, CE es la composición del eutécco, TE es la temperatura del eutécco, CαE es la composición de la ase α a TE, CβE es la composición de la ase β a TE. TE. Pa Parra el sis isttem emaa Cu Cu-A -Agg, se e en ne: CE CE=7 =71. 1.9 9%wt %wtAg Ag,, Cα CαE= E=8% 8%wt wtA Ag, CβE=91.2%wtAg y TE=779°C. Dicho de otra orma, la reacción eutécca es aquella transormación de ases en la cual un líquido solidifca en dos ases dierentes (y viceversa en el calentamiento), de orma tal que exisrán tres ases en equilibrio (los dos sólidos más el líquido). Debido a esta reacción eutécca, los diagramas de ases similares a la de la Figura 12 se denominan diagramas de ases eutéccos. Los componentes que muestran este comportamiento, constuyen un sistema eutécco.
Desarrollo de microestructuras en aleaciones eutéccas
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Dependiendo de la composición, los sistemas eutéccos binarios pueden tener dierentes microestructuras luego de un enriamiento lento. A connuación se empleará el diagrama de ases Pb-Sn de la para explicar el desarrollo de cada po de
microestructuras, en aleaciones de composición C1, C2, C3 y C4.
Figura 13. Diagrama de fases Pb-Sn.
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Caso 1. Aleación con composición C1 Este ejemplo representa a cualquier composición que varía entre un componente puro y la solubilidad sólida máxima para ese componente a temperatura ambiente. Para el sistema Pb-Sn, esto incluye aleaciones ricas en plomo que conenen entre 0 y 2%wt Sn (rango de ase α a temperatura ambiente) y también aleaciones ricas en estaño que conenen entre 99%wt Sn y estaño puro (rango de ase β a temperatura ambiente). Como ejemplo, se considera la aleación de composición C1 de la Figura 14 a medida que se enría lentamente desde la ase líquida. Esto implica desplazarse hacia abajo sobre la línea ww’. En el punto a, la aleación permanece totalmente líquida y con una composición C1 hasta has ta qu quee cru cruza za la línea línea liquid liquidus us a la tem temper perat atura ura cor corres respon pondien diente. te. En est estaa temperatura, comienzan a ormarse los primeros cristales de sólido α, ya que la aleación entra en la región biásica (α + L). En esta región, el enriamiento es similar al explicado en la sección 3.1.2. A medida que connúa el enriamiento y dentro de esta región biásica, crece la candad relava del sólido α según la regla de la palanca inversa. Las composición del sólido α sigue la línea solidus y la del líquid líquido, o, la lín línea ea liquid liquidus, us, en cad cadaa cas caso o a la tem temper peratu atura ra cor corres respo pondi ndient ente. e. La solidifcación culmina en el momento en que la temperatura de la aleación alcanza la línea solidus, momento a parr del cual se tendrá 100% de sólido α. La aleación result res ultan ante te es pol policr icrist istali alina na con un unaa com compos posició ición n uni unior orme me C1. No ocu ocurri rrirán rán cambios posteriores hasta alcanzar la temperatura ambiente, debido a que no se cruza cru za nin ningun gunaa lín línea ea del dia diagra grama ma de as ases. es. La microe microestr struct uctura ura res result ultan ante te se muestra en la Figura 14.
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Figura 14. Representación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C1
Caso 2. Aleación con composición C2 Este ejemplo representa a cualquier composición que varía entre el límite de so solu lubi bililida dad d a te temp mper erat atur uraa am ambi bien ente te y la so solu lubi bililida dad d só sólilida da má máxi xima ma a la temperatura eutécca. Para el sistema Pb-Sn, en el extremo rico en plomo, incluye aleaci ale acione oness que con conen enen en ent entre re 2%wt Sn (so (solub lubilid ilidad ad máx máxima ima a tem temper peratu atura ra ambiente) y 18.3%wt Sn (solubilidad máxima a la temperatura eutécca). El mismo rango se puede deducir para el extremo rico en estaño. Como ejemplo, se considera la aleación de composición C2 de la Figura 15 a medida que se enría lentamente desde la ase líquida. Esto implica desplazarse hacia abajo sobre la línea xx’. La solidifcación de esta aleación entre los puntos d y es similar a lo ya explicado en el caso 1. En el punto d, la aleación consiste de 100% líquido de composición C2. A medida que la temperatura disminuye, no ocurren cambios hasta alcanzar el punto d’, momento
en el cu cual al co comi mien enza zan n a ap apar arec ecer er los los pr prim imer eros os cris crista tale less de só sólilido do α cuya cuya composición queda determinada por la línea solidus a esa temperatura (punto a). La co comp mpos osic ició ión n del del líqui líquido do en el punt punto o d’ sigu siguee sien siendo do C2. C2. Si con connu nuaa el enriamiento en la región biásica (α + L), y a medida que se desciende por la recta
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d’-e’, los cristales de sólido α van aumentando en candad relava (según la regla de la pa palan lanca ca inv invers ersa) a).. En cua cualqu lquier ier tem temper perat atura ura int interm ermedi ediaa ent entre re d’-e’, d’-e’, la composición del sólido y del líquido queda determinado por las líneas solidus y liquidus, respecvamente. Por ejemplo, en el punto e, la composición del solido α corresponde a la del punto b y la composición del líquido corresponde a la del punto c. La regla de la palanca inversa indica que la racción en peso del sólido α (candad relava) queda determinado por el cociente de la longitud del segmento ec sobre la longitud del segmento bc. Análogamente, la racción en peso del líquido queda determinado por el cociente de la longitud del segmento be sobre la longitud del segmento bc. La solidifcación fnaliza a la temperatura del punto e’, dado que la regla de la palanca inversa indica que en ese punto se ene 100% de sólido α. La composición del del só sólilido do α se será rá C2 C2.. Si el en enr ria iami mien ento to con connú núa, a, no ocur ocurri rirá rán n camb cambio ioss mi micr croe oest stru ruct ctur ural ales es hast hastaa al alca canz nzar ar el punt punto o ’ ’.. La mi micro croes estr truc uctu tura ra a una una temperatura intermedia (punto (punto ) se muestra en la Figura 15. Cuando temperatura de la aleación desciende hasta alcanzar la línea solvus (punto ) ),, ento entonc nces es se ha alca alcanz nzad ado o el lími límite te de so solu lubi bililida dad d de dell só sólilido do α. Co Como mo co cons nsecu ecuen enci cia, a, el di diag agra rama ma de ase asess indi indica ca que, que, al cruz cruzar ar la líne líneaa so solv lvus us,, se producen pequeñas parculas de solido β (ver esquema del punto g de la Figura 15). Al connuar el enriamiento a temperaturas ineriores a las de ’, la regla de la palanca inversa indica que la candad relava de sólido β aumenta. En el punto g, la composición del sólido α corresponderá a la de la línea solvus del plomo (punto g). La composición del sólido β corresponderá a la de la línea solidus del estaño .Finalmente, a temperatura ambiente, la microestructura consisrá de una matriz de sólido α con parculas de sólido β en su interior. Las composiciones y candades relavas se calculan de la misma orma ya explicada. explic ada.
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Figura 15. Representación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C2.
Caso 3. Aleación con composición C3 Este caso implica la solidifcación de una aleación con composición eutécca. Para el sistema de la Figura 16, esto corresponde a 61.9%wt Sn. Se considera entonces que esta aleación se enría desde la ase líquida (punto h) siguiendo la línea vercal yy’. A medida que desciende la temperatura, no ocurren cambios hasta que se alcanza la temperatura eutécca (183°C). Al cruzar la isoterma eutécca (punto i), el líquido se transorma en las ases α y β mediante la siguiente ecuación (reacción eutécca):
En esta reacción, el líquido tendrá 61.9%wt Sn y las composiciones de los sólidos α y β quedan defnidos por los puntos extremos de la isoterma eutécca (18.3%wt Sn para el sólido α y 97.8%wt Sn para el sólido β). Las tres ases (líquido, α y β) coexisrán en equilibrio hasta fnalizar la solidifcación. Durante la transormación eutécca, es necesario que se genere una redistribución del plomo y del estaño, desde la ase líquida hacia los sólidos α y β. Esto se debe a que que las las co comp mpos osici icion ones es de ca cada da una una de las las tres tres a ase sess so son n di die ere rent ntes es.. Esta Esta
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redistribución se muestra a la izquierda de la Figura 17. Como consecuencia, la microestructura del sólido resultante (denominada estructura eutécca) consta de láminas alternadas se sólido α y sólido β, que se orman simultáneamente durante la transormación. El proceso de redistribución del plomo y del estaño ocurre por diusión en el líquido, justamente en la interase eutécco/líquido. Las echas indican las direcciones de diusión de los átomos de Pb y Sn. Lógicamente, el Pb diu diund ndee hacia hacia las las re regi gion ones es de sólid sólido o α, ya que que és ésta ta es má máss ri rica ca en pl plom omo. o. Análogamente, el Sn diunde hacia las regiones de sólido β, ya que ésta es más rica en estaño. Un en enria riamie miento nto pos poster terior ior des desde de la iso isoter terma ma eut eutécc éccaa ha hasta sta la tem temper perat atura ura ambiente conducirá a cambios menores en la microestructura de la aleación. Estos cambios menores, ya sea en las composiciones de los sólidos α y β como las canda can dades des rel relav avas as de cad cadaa uno uno,, que queda da det determ ermina inado do por la línea línea sol solvus vus del extremo rico en plomo, la línea solvus del extremo rico en estaño y la regla de la palanca inversa, como ya se explicó.
Figura
16.
Representación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C3.
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Figura 17. Izquierda: Formación de la estructura eutécca para el sistema Pb-Sn. Derecha: Micrograa de una aleación Pb-Sn de composición eutécca.
Caso 4. Aleación con composición C4 Este ejemplo representa a cualquier composición que varía entre el límite de solubilidad sólida máxima a la temperatura eutécca y la composición eutécca. Se considera la composición C4 de la Figura 18 que se encuentra a la izquierda del eutécco. Al disminuir la temperatura, se desciende por la línea zz’, comenzando en el punto j. El desarrollo de las l as microestructuras entre los puntos j y l es similar al del caso 2, de orma tal que antes de cruzar la isoterma eutécca (punto l) están pres presen ente tess sóli sólido do α y líqu líquid ido o co con n co comp mpos osici icion ones es 18.3 18.3%wt %wt Sn y 61.9 61.9%wt %wt Sn, Sn, respec res pecva vamen mente. te. Est Estas as com compos posicio iciones nes se det determ ermina inan n a par parr r de la iso isoter terma ma correspondiente al punto l, y sus intersecciones con las líneas solidus y liquidus. A medida que la temperatura desciende justo por abajo de la eutécca, la ase líq líquid uida, a, que que en enee la com compos posició ición n eut eutéc écca, ca, se tra trans nsorm ormará ará a la est estruc ructur turaa eutécca (es decir, láminas alternadas de α y β). La ase α que se ormó durante el enria en riamie miento nto a tra través vés de la reg región ión (α + L) ten tendrá drá cam cambio bioss mic microe roestr struct uctura urales les insignifcantes. Para dierenciar, el sólido α que se ormó durante el enriamiento a
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través de campo de ases (α + L) se denomina α primaria y la que se encuentra en la estructura eutécca se denomina α eutécca . En aleaciones que tengan composición a la derecha del eutécco, se obenen transormaciones y microestructuras análogas a la recién descripta. Sin embargo, por debajo de la temperatura eutécca, la microestructura consisrá de sólido β primaria y eutécco, ya que un enriamiento a parr del líquido cruza el campo de ases (β + líquido).
Figura 18. Representación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C4.
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Figura 19. Micrograa de una aleación 50%wt Pb-50%wt Sn mostrando granos de sólido α primaria (regiones (regiones oscuras grandes) inmersas en una estruct estructura ura eutécca laminar.
CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE SISTEMAS EUTÉCTICOS La Figu Figura ra 20 mu mues estr traa la lass cu curv rvas as de enr enria iami mien ento to pa para ra un me meta tall pu puro ro y 4 composiciones de aleante que coinciden (esquemácamente) con los cuatro casos de solidifcación explicados en la sección 3.2.1. La curva de enriamiento de A puro (100%A) de la Figura 20 es similar a lo explicado en la sección 2.1. La curva de enriamiento de 10%B (curva 1) es similar a lo explicado en la sección 3.1.3. La curva 2 de la Figura 20 presenta un quiebre adicional, correspondiente a la temperatura solvus. Una vez que se supera el límite de solubilidad máxima de B en A, la so solid lidif ifca cació ción n impl implica icará rá un ci cier erto to porc porcen enta taje je de re reac acció ción n eu euté técc cca. a. Esto Esto se manifesta a parr de la meseta de la curva 3, correspondiente a la transormación eutécca. A medida que el contenido de B se aproxima a la composición eutécca, mayor la longitud de la meseta, lo cual signifca mayor racción de eutécco. Finalmente, la curva 4 muestra que la solidifcación de la composición eutécca ocurre a temperatura constante, comportándose la aleación como un metal puto. Esto se debe a que la solidifcación de una aleación eutécca implica que tres ases
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deben coexisr en equilibrio, lo cual resulta en un punto invariante (es decir, cero grados de libertad según la regla de las ases ases Figura 20. Diferentes curvas de enfriamiento para un sistema eutécco.
CONCLUSIONES
Se observa una dierencia entre el punto eutécco experimental con el teórico, se debe a que los metales empleados enen impurezas, y por descuido del operador que no toma los datos en su debido empo. El diagrama de ases muestra los estados estables, es decir los estados que en unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. De acuerdo a esto los cambios de estado reejados en el diagrama también se refere a las condiciones de equilibrio.
El diagrama de ase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra como una placa pla ca sup superp erpues uesta ta sob sobre re el dia diagra grama ma teó teórico rico.. En el dia diagra grama ma exp experi erimen menta tall observamos que la línea de líquidos está por debajo de la teórica y que la línea de sólidos no es exactamente una recta. El diagrama de ase representa un caso teórico y en la prácca se uliza para estud est udiar iar las tra trans nsorm ormaci acion ones es a peq pequeñ ueñas as vel veloci ocida dades des de calent calentam amien iento to o enriamiento.
Lo Loss diag diagra rama mass de ase asess co cons nst tuy uyen en un conv conven enie ient ntee y co conc ncis iso o me medi dio o para para re repr pres esen enta tarr las las ase asess má máss es esta tabl bles es de una una al alea eació ción. n. En es esta ta di disc scus usió ión n se consideran los diagramas de ases binarios en los cuales la temperatura y la composición son variables. El diagrama de ases es muy úl cuando se desea saber que ases están presentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso de abricación para un producto metálico.
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RECOMENDACIONES
Introducir el termómetro dentro del crisol de modo que solo la punta metálica del termómetro pueda chocar con la aleación undida. Encender el horno hasta que la aleación este por lo menos 30°C por encima de su punto de usión, agitando el baño con la bagueta. No introducir el termómetro en la aleación si esta está a más de 420°C pues el termómetro termó metro p podría odría esta estallar. llar. Po Porr lo cual es recom recomenda endable ble espe esperar rar un mo moment mento o hasta que la aleación aleación se enríe hasta por d debajo ebajo de dicha tempera temperatura. tura. Calentar la lingotera antes de verter la aleación Pb-Sn pues estas se encontrará a alta temperatura. Tomar el crisol con la pinza con mucho cuidado y manteniéndolo a cierta distancia del rostro ya que podría estallar debido al cambio de temperatura y podría dañar la vista.
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BIBLIOGRAFÍA
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