Aleaciones Isomorfas Binarias

Interpretación de diagramas de fase: aleaciones isomorfas 1

ALEACIONES ISOMORFAS BINARIAS Son aleaciones de dos componentes completamente solubles en todo el rango de composiciones REGLAS DE SOLUBILIDAD DE HUME-ROTHERY • Igualdad de estructuras cristalinas • Los radios atómicos difieren en menos del 15% • Electronegatividades parecidas o No pueden formar compuestos • La valencia de los elementos debe ser la misma

Paloma Fernández Sánchez Departamento de Física de Materiales, Físicas, UCM

Interpretación de diagramas de fase: aleaciones isomorfas 2

La diferencia fundamental entre la solidificación de una sustancia pura y una aleación, es que en este último caso la solidificación NO ocurre a una temperatura determinada sino sobre un rango de temperaturas. La amplitud de este rango depende de la composición aleación.

de

Esto

la se

observa claramente a partir de las curvas de enfriamiento para diferentes composiciones. Además si eliminamos el tiempo, podemos obtener el diagrama

de

fases

en

equilibrio.

Paloma Fernández Sánchez Departamento de Física de Materiales, Físicas, UCM

Interpretación de diagramas de fase: aleaciones isomorfas 3

A medida que progresa el enfriamiento, las curvas presentan un marcado cambio de pendiente coincidiendo con el instante en que empieza a producirse la solidificación, puntos Li. El lugar geométrico de todos estos puntos se conoce como LIQUIDUS. Si el enfriamiento prosigue más allá de esta línea, va aumentando la proporción de fase sólida presente en la mezcla hasta que finalmente se complete la solidificación, puntos Si, el lugar geométrico de estos puntos se conoce como SOLIDUS. Entre ambas líneas coexisten las fases sólida y líquida en diferentes proporciones

y

con

diferentes

composiciones (en todo instante el número de átomos de cada especie debe conservarse). Así pues de un diagrama como el de la figura seremos capaces de determinar para una aleación dada, las fases existentes a cada temperatura, cuál es la composición de cada una de ellas, y en que proporción se encuentran.

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Interpretación de diagramas de fase: aleaciones isomorfas 4

FASES PRESENTES REGIÓN 1: Monofásica, 100% fase líquida de composición igual a la de la mezcla inicial REGIÓN 2: Monofásica, 100% fase sólida de composición igual a la de la mezcla inicial REGIÓN 3: Bifásica, coexisten las fases sólida y líquida en diferentes proporciones y con diferentes composiciones según al temperatura.

1

3

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DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE CADA UNA DE LAS FASES PRESENTES EN LA MEZCLA Si el punto está en una región monofásica (A), la composición obviamente coincide con la de la aleación inicial. En una región bifásica , se traza la línea de reparto (isoterma), y se lee la composición de cada fase en la intersección de la línea de reparto y el correspondiente límite de fase.

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Interpretación de diagramas de fase: aleaciones isomorfas 6

CANTIDAD (PROPORCIÓN) DE CADA FASE PRESENTE EN LA MEZCLA REGLA DE LA PALANCA XL + XS =1 XS = XS =

Wo − Wl Wl − Ws Ws − Wo W s − Wl

=

OL

=

OS

LS LS

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Un aspecto fundamental de los procesos que estamos tratando es el desarrollo de microestructuras en función de la composición y temperatura a la que nos encontremos, ya que como ya hemos mencionado la microestructura tiene una gran influencia sobre determinadas propiedades del material. Como ejemplo elegimos una aleación del sistema Cu-Ni con una composición inicial 35%Ni.

* Punto a (1300ºC): 100% Líquido de composición 35%Ni-65%Cu * Punto b (1270ºC): Casi 100% Líquido de composición 35%Ni-65%Cu y una mínima cantidad de núcleos sólidos ricos en Ni que es elemento de punto de solidificación más alto, fase α, con una composición 49%Ni-51%Cu. * Punto c (1250º): 39.5% de líquido de composición 43% Ni-57%Cu y 61.5% de sólido α de composición 30%Ni-70%Cu, ya próxima a la concentración inicial de la aleación puesto que ya hay una gran proporción de fase sólida. * Punto d (1220ºC): Hay una pequeña cantidad de líquido muy rico en Cu, de composición 23%Ni-77%Cu y prácticamente un 100% de fase sólida de composición 35%Ni-65%Cu. Punto e (<1220º): La solidificación se ha completado por tanto tenemos 100% fase sólida de composición idéntica a la inicial (35Ni-65Cu).

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Los procesos de equilibrio requieren tiempos muy largos, mucho más largos de los que se tienen en las condiciones experimentales habituales, entonces..... ¿QUÉ PASA SI LA SOLIDIFICACIÓN OCURRE FUERA DEL EQUILIBRIO? La microestructura se ve muy afectada debido a que tiene lugar un proceso de segregación. Por supuesto esto se refleja en las curvas de enfriamiento, no en el diagrama de fases, en tanto en cuanto no podemos hablar de diagrama de fases si no estamos en equilibrio.

Paloma Fernández Sánchez Departamento de Física de Materiales, Físicas, UCM