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Contenido
Diagramas de Equilibrio
Clasificación
Reacciones invariantes
Reglas de fase
Regla de la palanca
Interpretaciones
 Una aleación metálica o, simplemente una aleación, es una
mezcla de dos o más metales, o de un metal con un no metal
 La mayoría de los metales usados en ingeniería son
combinados con otros metales o no metales para conseguir
una mayor dureza, mayor resistencia a la corrosión u otras
propiedades.
 El desarrollo de la microestructura de una aleación esta
directamente relacionada con las características de su
diagrama de fases.
Los diagramas de fases, también llamados diagramas de
equilibrio representan la relación entre la estructura y; la
composición y las cantidades de fases en equilibrio. La
utilidad de los diagramas de equilibrio radica en la posibilidad
de la predicción de las transformaciones de fases y de la
microestructura resultante, que puede estar o no en equilibrio.
Conceptos Fundamentales:
¿Qué es una fase?
¿Qué se entiende por transformación de Fase?
¿C uando se considera que se alcanza el Equilibrio?
Representación gráfica a varias T, P y C(composición)
de las fases que están presentes en un sistema.
 Los diagramas de fases más comunes involucran
Temperatura Vs. Composición
 Manteniéndose la presión constante a 1 atm.
 Asimismo, la mayoría de los diagramas de fase han sido
construidos según condiciones de equilibrio;
enfriamientos muy lentos que implican velocidades
muy lentas de transformación.
Los Diagramas de Fases nos permiten:
1. Conocer las fases presentes a diferentes composiciones
y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento
(equilibrio).
2. Determinar la solubilidad, en los estados sólido y
liquido, de un elemento (o compuesto) en otro.
3. Determinar la temperatura a la cual una aleación
enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a
solidificar y la temperatura a la cual ocurre la
solidificación.
4. Conocer la composición química de cada una de las
fases y las temperaturas a la cuales ocurren las
transformaciones de fases.
Solubilidad
Total
Insolubilidad
Total
Solubilidad
Parcial
¿Qué es un Constituyente?
A medida que una aleación solidifica la estructura de la misma
quedara conformada por diferentes constituyentes, los cuales
pueden clasificarse como:
1.
2.
3.
4.
Metales puros
Soluciones sólidas
Mezclas eutécticas
Compuestos intermetálicos
1.Metales Puros:
En el caso de metales insolubles, que no se pueden mezclar, al solidificarse
permanecen puros, por lo que microestructuralmente se presentarán en capas
independientes.
2.Soluciones Solidas:
Son aquellas aleaciones miscibles en estado líquido, y que al solidificar siguen
disueltas. De esta forma, los átomos de un elemento se distribuyen
aleatoriamente con otro sin combinación química, en una estructura de
fase única.
Bajo tales condiciones existe un solvente, que es el elemento cuya red espacial
perdura y un soluto, que es el elemento que se disuelve en el solvente.
Se pueden distinguir de 2 tipos:
a) Soluciones Sólidas Sustitucionales
b) Soluciones Sólidas Intersticiales . ¿?
a) Soluciones Solidas Sustitucionales:
Se crean soluciones solidas sustitucionales cuando un átomo de la red cristalina es
remplazado por otro de un tipo distinto. En este caso los átomos del soluto remplazan a
los átomos del solvente en sus posiciones originales.
Para que se forme una solución solida sustitucional los átomos que constituyen el
soluto y el solvente deben cumplir con las Reglas de Hume-Rothery:
1. La diferencia entre los diámetros atómicos de los
elementos no debe ser mayor del 15% de su diámetro.
2. La estructura cristalina de los dos elementos debe ser
la misma.
3. No debe haber diferencias apreciables en las
electronegatividades de los dos elementos, a fin de
evitar su reacción y que formen compuestos.
4. Los dos elementos deben tener la misma valencia.
b) Soluciones Solidas intersticiales:
• Cuando los átomos del soluto son considerablemente
más pequeños que los átomos del solvente, estos pueden
alojarse en los huecos o intersticios de la red cristalina,
creando soluciones solidas intersticiales.
• Dependiendo del radio atómico del soluto se crean
contracciones o dilataciones de la red
Metales Puros Vs. Soluciones Solidas:
En comparación con los metales puros, las aleaciones de soluciones sólidas poseen
ciertas características:
Como Ventajas:
 Mayor dureza y resistencia a la tracción.
 Menor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes.
Como Desventajas:
 Disminución de la ductilidad, la tenacidad y la conductividad térmica y eléctrica.
3. Mezcla Eutéctica:
Cuando una aleación solidifica como una mezcla intima de cristales o de
componentes puros a una misma temperatura, se forma una mezcla eutéctica.
Características de las mezclas eutécticas
 Tienen una composición definida
 Temperatura de fusión constante
 los dos componentes de la aleación se solidifican a la vez desde
la aleación líquida, constituyendo un producto bifásico.
Estas aleaciones son de poca aplicación práctica debido a sus bajos puntos de
fusión y bajas propiedades mecánicas.
Por su baja temperatura de fusión, se emplean casi exclusivamente para la
soldadura. El ejemplo típico lo constituye la aleación plomo estaño empleada
en la soldadura de láminas de cinc, cobre y latón.
4. Compuestos Intermetálicos:
• En ocasiones, cuando las aleaciones solidifican, tienden a formar
compuestos de forma que los átomos del soluto no se distribuyen
aleatoriamente entre los del solvente, sino que lo hacen de forma definida y
concreta, dando lugar a compuestos químicos, normalmente denominados
compuestos intermetálicos o intermedios.
• La diferencia entre solución sólida y compuestos intermetálicos es que en la
primera la distribución de los átomos es aleatoria, mientras que en los
compuestos intermetálicos, la distribución es concreta y definido formando
compuestos químicos.
Otras Características de estos compuestos:
Son estequiométricos, ejemplo: Fe3C.
Son buenos reforzantes al precipitarse
Tipos de Diagramas
Solubilidad
Total
Insolubilidad
Total
Solubilidad
Parcial
Tipos de Diagramas
Solubilidad Total
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Total:
Diagrama de fase para un sistema, de aleación Cobre - Níquel y Curva de
enfriamiento asociada para una composición N i - Cu 50%-50%, durante la
fundición
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Total:
Los diagramas de fases de solubilidad total, se generan por la aleación de dos metales A y
B, miscibles entre si tanto en el estado liquido como en el estado solido, de allí el nombre
de los diagramas, que también suelen denominarse como diagramas binarios isomorfos.
En estos diagramas se representa la temperatura en el eje de las ordenadas y la
composición en el eje de las abscisas, mientras que las disoluciones solidas se suelen
representar con letras del alfabeto griego (α, β, γ, δ).
A su vez aparecen tres regiones de fases, o campos diferentes: un campo solido alfa (α), un
campo liquido (L) y un campo bifásico donde coexisten α + L. Cada región o campo se
define por la fase o fases existentes en el tramo de temperaturas y composiciones
delimitado por las líneas del limite de fases:
 Línea Liquidus: es la línea superior del diagrama; representa el inicio de la
solidificación y marca la transición entre la fase liquida y la fase liquida +solida.
 Línea Solidus: es la línea inferior del diagrama; representa el final de la transformación
y marca la transición entre la fase liquida +solida y la fase solida
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Total:
Diagrama Binario Cobre – Níquel:
 La composición varia desde 0% en peso
de Ni (100% de Cu) hasta el 100% en
peso de Ni (0% de Cu).
 El liquido L es una disolución liquida
homogénea compuesta por Cu y Ni.
 La fase α es una disolución solida
sustitucional, de átomos de Cu y Ni, con
estructura cristalina FCC.
 Las temperaturas de fusión del Cobre y
del Níquel puros son de 1085 y 1455 °C,
respectivamente.
 Para composiciones distintas a la de los
componentes puros, ocurre la fusión en
un tramo de temperaturas comprendido
entre las líneas solidus y liquidus.
Regla de la composición
Permite determinar la composición química real de las fases en equilibrio a una
temperatura especifica.
Para un diagrama binario, se debe trazar una línea horizontal a la temperatura dada
(línea vinculo), entre los límites de la región de la fase. Luego se abaten a la línea base y
se lee la composición.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Total:
Determinación de la composición:
 PUNTO 1:
1 Sola fase presente: solución liquida
homogénea con composición química 60%A
y 40%B.
 PUNTO 2:
Coexisten 2 Fases: liquida y solida con
composición química:
Liquido: X (%A%B)
Solido: Y (%A%B).
 PUNTO 3:
1 Sola fase presente: solución solida
homogénea con composición química 60%A
y 40%B.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Total:
En el Punto B del Diagrama Cobre –
Níquel:
 La Aleación se compone de 35% Ni y
65% Cu.
 A 1250 °C coexisten la fase solida y
liquida.
 La composición de la fase liquida es
de 32% de Ni y 68% de Cu.
 La composición de la fase solida es de
43% de Ni y 57% de Cu.
Regla de la Palanca
Permite determinar los porcentajes en peso de las fases en las regiones de un
diagrama de fases en equilibrio.
Porcentaje en peso fase sólida:
% S 
w 0  wl
*100 
w s  wl
Porcentaje en peso fase líquida:
% L
ws  w0
*100 
w s  wl
Tipos de Diagramas
Solubilidad
Total
Insolubilidad
Total
Solubilidad
Parcial
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Los diagramas de fase de solubilidad parcial, se
generan por la aleación de dos metales A y B,
miscibles entre si en estado liquido, que forman una
mezcla eutéctica durante la solidificación. Por tal
razón, también suelen denominarse Diagramas de
Fases Eutécticos.
Entre las principales características de este tipo de Diagramas, se pueden mencionar:
 La aparición de dos soluciones solidas α y β: α es una solución de A, con átomos de B
como soluto, mientras β es una solución solida de B con átomos de A como soluto.
 La ocurrencia de una reacción Eutéctica, en la que un liquido al solidificar genera una
mezcla intima de dos solidos α y β, a una temperatura y composición especifica,
claramente definida y identificable en el diagrama como, TE y CE, respectivamente.
 La solubilidad de las fases solidas es limitada y esta descrita por la línea Solvus, que
separa en cada caso, el campo de las soluciones α y β de la región bifásica en la que
ambas coexisten.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Diagrama Eutéctico Cu-Ag:
 El liquido L es una solución
liquida homogénea de Cu y
Ag.
 Aparecen
tres
regiones
monofásicas: α, β y L.
 α: Solución rica en Cobre
con Plata como Soluto.
 β: Solución rica en Plata con
Cobre como soluto.
 La
Reacción
Eutéctica
ocurre a 780 °C: L(71,9%Ag)
↔ α(7,9%Ag) +β(91,2%Ag)
 La solución α disuelve un
máximo de 7,9% de Ag a 780
°C.
 La solución β disuelve un
máximo de 8,8% de Cu a 780
°C.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Diagrama Binario Pb – Sn:
1. El liquido L:
2. Regiones monofásicas:
3. Regiones bifásicas:
4. α:
5. β:
6. Punto de Fusión del Pb:
7. Punto de Fusión del Sn:
8. Solubilidad de α:
9. Solubilidad de β:
10. Reacción Eutéctica:
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Desarrollo de Microestructuras:
Al enfriar lentamente una aleación a partir de
un sistema binario Eutéctico se generan varios
tipos
diferentes
de
microestructuras,
dependiendo de la composición.
1ER Caso: Composición entre un componente
puro y la máxima solubilidad para este
componente a temperatura ambiente.
2 DO C aso: C omposición entre el limite de
solubilidad a temperatura ambiente y la
solubilidad solida máxima a la temperatura
del Eutéctico.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Desarrollo de Microestructuras:
Al enfriar lentamente una aleación a partir de
un sistema binario Eutéctico se generan varios
tipos
diferentes
de
microestructuras,
dependiendo de la composición.
1ER Caso: Composición entre un componente
puro y la máxima solubilidad para este
componente a temperatura ambiente.
2 DO C aso: C omposición entre el limite de
solubilidad a temperatura ambiente y la
solubilidad solida máxima a la temperatura
del Eutéctico.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Desarrollo de Microestructuras:
3 E R Caso: Composición Eutéctica.
4 TO C aso: C omposición entre el
máximo de solubilidad de los
componentes puros y el punto
Eutéctico.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Desarrollo de Microestructuras:
3 E R Caso: Composición Eutéctica.
4 TO C aso: C omposición entre el
máximo de solubilidad de los
componentes puros y el punto
Eutéctico.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Determinar para una aleación
40%Sn - 60% Pb a 150 °C:
3
5
6
1
4
 Fases Presentes:
 Composición química de las
fases:
2  Porcentaje en peso de cada
una de las fases:
Regla de la Palanca:
𝛼 =
𝛽 =
𝐶𝛽 − 𝐶1
𝐶𝛽 − 𝐶𝛼
𝐶1 − 𝐶𝛼
𝐶𝛽 − 𝐶𝛼
Tipos de Diagramas
Diagrama de Solubilidad Parcial:
Desarrollo de Microestructuras:
Determinar para una aleación Pb-Sn de composición C 4 el porcentaje de fases y
constituyentes presentes, considerando la temperatura Eutéctica para tales cálculos:
 Fases Presentes:
 Composición química de las
fases:
 Porcentaje en peso de cada
una de las fases:
Regla de la Palanca:
Tipos de Diagramas
Solubilidad
Total
Insolubilidad
Total
Solubilidad
Parcial
Tipos de Diagramas
Diagrama de Insolubilidad Total:
Los diagramas de fase de insolubilidad total, se generan por la aleación de dos metales
A y B, miscibles entre si en estado liquido, que forman una mezcla eutéctica durante la
solidificación pero que permanecen insolubles en dicho estado.
Tipos de Diagramas
Diagrama de Insolubilidad Total:
Determinar para cada una de
las aleaciones, las fases y
constituyentes presentes:
Aleación 1: Eutéctica
 Entre TO y TE:
 A T =TE:
 Por debajo de TE:
Aleación 2: Hipoeutéctica
 Entre TO y T1:
 Entre T1 y TE:
 A T =TE:
 Por debajo de TE:
Aleación 3: Hipereutéctica ¿?
L a s Reacciones Invariantes son aquellas que ocurren a u n a composición y
temperatura definida, especifica y constante
Alotropía
Tipos de Diagramas
Compuestos Intermedios o Intermetálicos:
En los diagramas de fases de
algunos sistemas, se forman
compuestos intermedios que
tienen una formula química
definida; en los sistemas MetalMetal, estos se denominan
compuestos intermetálicos.
Tipos de Diagramas
Compuestos Intermedios o Intermetálicos:
Fusión Congruente
de un compuesto
Intermetálico y
Estequiométrico
Tipos de Diagramas
Fusión
Congruente de la
solución γ, no
estequiométrica
Aceros Eutectoides:
Microestructura Perlítica de un
acero Eutectoide mostrando láminas
alternadas de α (fase clara) y Fe 3 C
(láminas más oscuras)
Aceros Hipoeutectoides:
Fotomicrografía de una Acero
0,38%C con una estructura
constituida por Perlita y Ferrita
Proeutectoide
Aceros Hipereutectoides:
Microestructura de un acero
hipereutectoide: se observa la
Cementita, formando una red
continua enmarcando una
estructura granular formada por
colonias de perlita
 Es una solución sólida intersticial de Carbono en una red cúbica
centrada en el cuerpo de Hierro.
 Admite hasta un 0,025 % de Carbono en solución a la temperatura
eutectoide.
 Es el constituyente más blando del acero, su resistencia es de 28
Kg/mm2 (2,7 MPa).
 Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los
910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó
otra fase denominándosele hierro beta (Feβ).
 Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del
6,67%.
 Es el constituyente más duro y frágil del acero alcanzando una dureza
de 68 HRC (700 Brinell).
 Estructura cristalina Ortorrómbica
 Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de Ferrita y
Cementita, compuesta por el 88% de Ferrita y 12% de Cementita, contiene 0,8% de
Carbono.
 Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un
alargamiento del 15%.
 El nombre de Perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a
las perlas.
 La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la Austenita por debajo de la
temperatura Eutectoide.