Fase - UASF

METALES
Ing. Jonathan Almirón Baca
La ciencia de materiales define un metal como un
material en el que existe un solape entre la banda
de valencia y la banda de conducción en su
estructura electrónica (enlace metálico). Esto le
da la capacidad de conducir fácilmente calor y
electricidad, y generalmente la capacidad de
reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En
ausencia de una estructura electrónica conocida,
se usa el término para describir el
comportamiento de aquellos materiales en los
que, en ciertos rangos de presión y temperatura,
la conductividad eléctrica disminuye al elevar la
temperatura,
en
contraste
con
los
semiconductores.
Propiedades Comunes de los Metales
Transformación de los metales
1. Metal Fundido
2. Metal Trabajado
3. Metal Pulverizado
CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
ALEACIONES
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
BINARIOS
(Diagramas de fases)
Definición de Fase
Parte de un sistema cuya composición (naturaleza y concentración de constituyentes)
y organización atómica (estructura cristalina o amorfa) son fijas. Es decir, parte
homogénea de un sistema cuyas características físicas y químicas son comunes.
Una fase tiene las siguientes características:

La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material.

Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior.

Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases circundantes.
Fase
Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una región que
difiere en estructura y/o composición de otra región.
Agua líquida
agua
Hielo
Vapor de agua
Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema de
materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:

Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de
equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se presenta la

solidificación.

Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
Diagramas de fases de sustancias puras
Una sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida y vapor,
dependiendo de las condiciones de temperatura y presión.
Diagrama de fases en equilibrio
presión -temperatura para el
agua
Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio (coexisten) tres
fases de un material
Diagrama presión-temperatura carbono
Diagrama de fases en
equilibrio
presión – temperatura,
hierro puro
En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.
Monofásica
Aleación
Polifásica
Aleación monofásica
Aleación polifásica
Es importante conocer el comportamiento de un material con la
temperatura. Tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante el frío invierno, no
habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a sufrir las
consecuencias del frío. A -40 ºC, los aceros pueden contraerse entre 1 - 4%, en función
del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un tubito por donde sale una
bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha encogido 2 ó 3mm…
- El PTFE, (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta los 270ºC, sin perder
sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por qué no más
allá? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a carbonizarse, y a emitir unos
vapores que son bastante tóxicos.
- En los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su capacidad
de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Cuando se recuperaron partes del casco
del malogrado Titanic, se realizaron los ensayos para determinar la temperatura de
transición del acero utilizado, determinando que era -15 ºC. Así que el empleo de ese
material, la temperatura del agua por donde andaban, además de otros detalles
estructurales como las uniones entre planchas, provocó la ruptura del casco, y el
hundimiento del barco. La culpa no fue solamente el choque contra el iceberg.
Solubilidad y soluciones sólidas
Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo cuando se
agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar soluciones sólidas o líquidas.
Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de composición
variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:

Solubilidad total (completa)

Solubilidad parcial o limitada

Insolubilidad total
a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleaciones sólidas de Cu
y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que contienen más de 30%
de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad limitada del Zn en el Cu
Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de átomos de
soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solución sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
TIPOS DE SOLUCION SOLIDA
Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas especies químicas,
se dividen en dos tipos:
a) INTERSTICIALES
Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar espacios abiertos
entre átomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una SOLUCION SOLIDA
INTERSTICIAL.
b) SUSTITUCIONAL.
Es cuando los átomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos reticulares del
solvente, siendo la distribución al azar.
Solución sólida sustitucional: los
átomos de B ocupan posiciones de la
red A
Solución sólida intersticial: los
átomos B ocupan posiciones
intersticiales de la red A
Soluciones sólidas sustitucionales:
En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen en términos de
posición, a los átomos de la matriz.
Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida ilimitada,
deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de Hume- Rothery:
 El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más del
15%,para minimizar la deformación de la red.
 Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no debe haber
diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento.
 Los elementos deben tener la misma valencia.
 La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe ser la misma
Ejemplo:
Solución sólida intersticial:
En las soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto se sitúan en los
intersticios que hay entre los átomos del cristal.
Radio del mayor intersticio Fe
FCC: 0,053 nm
Radio del mayor intersticio Fe
BCC: 0,036 nm
Radio atómico C: 0,075 nm

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en cualquier
combinación de temperatura y composición de la aleación.

Se tienen 3 tipos de diagramas:
• Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
• Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido
• Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al estado
sólido.
Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
a) Temperatura liquidus y solidus
b) Fases presentes
c) Composición de cada fase
d) Cantidad de cada fase (regla de la
palanca)
e) Solidificación de aleaciones
a) Temperatura liquidus y solidus
La temperatura liquidus o de líquido se
define como aquella arriba de la cual
un material es totalmente líquido.
La temperatura solidus o de sólido, es
aquella por debajo de la cual esa
aleación es 100% sólida
La diferencia de temperaturas entre la
de líquido y la de sólido es el intervalo
de solidificación de la aleación
b) Fases presentes
El diagrama de fases puede
considerarse como un mapa de
caminos; si se conocen las
coordenadas, temperatura y
composición de la aleación, se
pueden determinar las fases que
se encuentren presentes.
c) Composición de cada fase
Cada fase presente en una aleación tiene
una composición, expresada como el
porcentaje de cada elemento en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo una
fase en la aleación, la composición de la
fase es igual a la composición general de
la aleación.
Cuando coexisten dos fases, como líquido
y sólido, la composición de ambas difiere
de la composición general original.
Usualmente la composición
expresada en porcentaje en peso.
está
c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o
isoterma
para
determinar
la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es
una línea horizontal en una región de
dos fases, que se traza a la
temperatura de interés.
Los extremos de la isoterma
representan la composición de las
dos fases en equilibrio.
Ejemplo:
Determine la composición de cada fase en una aleación Bi – 50% Sb a 550 ºC,
400 ºC, 350 ºC y 300 ºC
d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de fases del
cobre-níquel y la aleación de
composición C0 a 1250°C, donde C y
CL representan la concentración de
níquel en el sólido y en el líquido y
W y WL las fracciones de masa de
las fases presentes.
La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de
conservación de la masa:
En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las fracciones de las
fases presentes debe ser la unidad:
W  WL  1
En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir con la
masa total de la aleación
WC  WLCL  C0
Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la expresión de la
regla de la palanca para esta situación particular
WL 
C   C0
C  CL
C0  CL
W 
C  CL
En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:
Porcentaje de fase 
brazo de palanca opuesto
x 100
longitud total de la línea de enlace
 Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos fases de un
diagrama de fases binario.
 Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una fase en una mezcla
de dos fases.
 Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es decir, la
concentración química de los distintos componentes)
Ejemplos:
1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni que
se adjunta, describir el enfriamiento lento
de una aleación de 30% de Ni y determinar
su composición a 1200 ºC.
2. Una aleación compuesta de 2 kg de Cu y
2 kg de Ni se fundió y posteriormente se
enfrió lentamente hasta 1300 ºC. Utilizando
el diagrama de equilibrio Cu-Ni, calcular la
concentración y el peso de las fases
presentes a dicha temperatura.
3. En el sistema Cu-Ni, haga el análisis de
fase para una aleación 50% de Cu a: 1400
ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.
e) Solidificación de una aleación
Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de
solidificación:
Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre según el diagrama de
equilibrio de fases.


En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se
produce una distribución no homogénea del soluto en el sólido, esto es conocido
como segregación.
e) Solidificación de una aleación en el equilibrio
Acero de baja aleación
Cambio de la estructura de una aleación Cu – 40% Ni durante su solidificación
Solidificación fuera de equilibrio y segregación:
Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos o a lo más unas
pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio no se logran. Al solidificar el metal
se producen gradientes de concentración que no logran equilibrarse debido al
insuficiente tiempo del que se dispone, originando pérdidas de propiedades mecánicas.
Ejemplo
Para las aleaciones NiO-30% mol MgO, NiO-45% mol MgO y NiO-85% mol MgO
a) Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo de solidificación
b) Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cada fase a 2400 ºC
Ejemplo
Considere una aleación, cuya composición promedio contienen 60% de antimonio.
Comenzando a 550 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 300 ºC, suponiendo que
prevalecen condiciones de equilibrio, determine: (a) Las fases presentes (b) La
composición y cantidad de cada fase (c) La microestructura
Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles uno en
otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente
pueden considerarse como insolubles.
El punto de intersección de las líneas
liquidus,
se
eutéctico.
denomina
E
punto
La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificación
del eutéctico
La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como
composición eutéctica.
Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la
temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en dos fases
sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica y se escribe:
temperatura eutéctica
Líquido
enfriamiento
solído A  sólidoB
Aleación 1: aleación eutéctica
Aleación 3: aleación hipoeutéctica
Aleación 2: aleación hipereutéctica
a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1
b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2
c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3
Sistema Al-CuAl2
Sistema Fe – C
Eutéctico  - Fe3C
Aleación hipereutéctica Al-Si
(Silicio primario)
Aleación hipereutéctica Fe-C
(cementita primaria)
Ejemplo
Ejemplo
Para las aleaciones As-15% Au, aleación de composición eutéctica y As-85% Au,
Comenzando a 1100 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 500 ºC, suponiendo que
prevalecen condiciones de equilibrio, determinar
(a) las fases presentes
(b) la composición de cada fase
(c) la cantidad de cada fase
(d) la microestructura
Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles al estado
sólido
Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad máxima
(solución saturada) de B en A (solución ) o de A en B (solución ) en función de la
temperatura.
El punto E, como en el tipo II, es el punto eutéctico
Reacción eutéctica:
temperatura eutéctica
Líquido
enfriamiento
soluciónsólida   soluciónsólida
a) Aleaciones de
solución sólida
b) Aleaciones que
rebasan el límite de
solubilidad
c) Aleaciones hipoeutécticas
d) Aleación eutéctica
Ejemplos:
1)
2)
Ejemplo
En una aleación Pb-15% Sn que se solidifica lentamente, determine:
a) La composición del primer sólido que se forma
b) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de solidificación
c) Las cantidades y composiciones de cada fase a 260 ºC
d) Las cantidades y composiciones de cada fase a 183 ºC
e) Las cantidades y composiciones de cada fase a 184 ºC
f) Las cantidades y composiciones de cada fase a 182 ºC
g) Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºC
h) Repetir de a hasta g para una aleación Pb-70% Sn
Ejemplo
En una aleación Cu-10% Ag que se solidifica lentamente, determine:
a) La composición del primer sólido que se forma
b) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de
solidificación
c) Las cantidades y composiciones de cada fase a 1000 ºC
d) Las cantidades y composiciones de cada fase a 850 ºC
e) Las cantidades y composiciones de cada fase a 781 ºC
f) Las cantidades y composiciones de cada fase a 779 ºC
g) Las cantidades y composición de cada fase a 600 ºC
h) Repetir de a hasta g para :aleación Cu-30% Ag y Cu-80% Ag
Ejemplo:
Considere 1 kg de una aleación de moldeo de aluminio con un 10% en peso de
Si.
a) ¿Cuál es la primera fase sólida y cual es su composición?
b) ¿A qué temperatura solidificará completamente la aleación?
c)¿Qué cantidad de fase proeutéctica se encontrará en la microestructura?
d) ¿Cómo se distribuye el silicio en la microestructura a 576 ºC?

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