Son muy pocos los metales que se utilizan de forma pura o casi pura, ya que la mayoría de ellos se combinan con otros metales o no metales para mejorar sus propiedades y formar aleaciones.
Además, la mayor parte de los objetos metálicos se fabrican a partir del estado líquido, por lo que es de suma importancia conocer el proceso de solidificación o cristalización. Para ello nos valdremos de los diagramas de fases como medio auxiliar para el estudio de las transformaciones de la estructura interna de los materiales metálicos.
INDICE 1. SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES 2. SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN DE METALES 3. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES a) A. CON SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO LÍQUIDO Y SÓLIDO b) A. CON SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBILIDAD EN ESTADO SÓLIDO c) A. CON SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO LÍQUIDO Y SOLUBILIDAD PARCIAL EN ESTADO SÓLIDO
1. SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES a) b) c) d)
Concepto de aleación. Condiciones para formar una aleación. Disolvente y soluto. Estructura cristalina de las aleaciones. Disoluciones sólidas.
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Se denomina aleación a la sustancia que se obtiene mediante la fusión y posterior solidificación de una mezcla de 2 o más elementos, siempre que el conjunto conserve las propiedades metálicas en estado sólido.
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SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES
Los elementos que se mezclan deben ser totalmente miscibles en estado líquido, para que al solidificarse se origine un producto homogéneo. El producto obtenido tiene carácter metálico; es decir su estructura interna a de ser igual que la de los metales. ÍNDICE
SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES
En las aleaciones se distinguen disolvente y soluto en función de las siguientes variables: – Si los metales cristalizan en el mismo sistema cristalino, el disolvente será el que se encuentre en mayor proporción. – Si los metales cristalizan en distinto sistema cristalino, el disolvente es aquel que conserva la red cristalina La proporción de disolvente y soluto se suele expresar mediante la concentración en masa. SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES
EJEMPLO 1
EJEMPLO 1
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SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES
Viene determinada por las interrelaciones entre los átomos de los aleantes. En las aleaciones binarias puede suceder: •Que los metales, A y B, sean solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido: mezcla mecánica formándose A y B por separado. Que los metales, A y B, son solubles en estado líquido y en estado sólido: disolución sólida formada por granos homogéneos. •Solución sólida por sustitución: radios atómicos similares. •Solución sólida por inserción: radio atómico de D bastante menor que C. •Que los metales, A y B, son solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido: mezcla mecánica formada por dos soluciones sólidas., α y β, formadas por sustitución o inserción. Que los dos elementos, A y B, reaccionen químicamente: compuesto intermetálico, la relación entre los átomos de cada elemento concuerda con una proporción estequiométrica, AmBn.
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SOLUCIONES SÓLIDAS Y ALEACIONES
2. SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN DE METALES • • • •
El proceso de cristalización Curvas de enfriamiento Fenómeno de subenfriamiento Velocidad de solidificación (mejora del tamaño de grano)
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El proceso de cristalización SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN: cuando una sustancia pasa de estado líquido a sólido; es decir, cuando cambia su estado de agregación. El proceso va acompañado de una disminución de la energía libre, es un proceso exotérmico (necesidad de evacuar ese calor).
ETAPAS DEL PROCESO DE SOLIDIFICACIÓN: Nucleación: formación de los centros de cristalización. Los núcleos estables se forman por lo general tomando como soporte la propia pared del molde, o bien los agentes nucleantes (partículas de un compuesto de elevado punto de fusión en forma sólida presente en el baño fundido Crecimiento dentrítico, en la que los núcleos estables crecen hasta dar lugar a la estructura granular típica de los metales.
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SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN DE METALES
Curvas de enfriamiento CURVAS DE ENFRIAMIENTO: representación de la temperatura del material en función del tiempo transcurrido, durante el proceso de enfriamiento desde el estado líquido CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UN ELEMENTO PURO
CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN
CAMBIO DE ESTADO A Tª CONSTANTE
CAMBIO DE ESTADO EN UN INTERVALO DE TEMPERATURAS
Aleación eutéctica: aquella cuya composición hace que se comporte como un metal puro en la solidificación.
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SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN DE METALES
Fenómeno de subenfriamiento Para que se produzca el enfriamiento a temperatura constante se precisan velocidades de enfriamiento extremadamente lentas. En la práctica, en enfriamientos industriales, son frecuentes el fenómeno de subenfriamiento, en los que el material permanece en estado fundido a una temperatura inferior a la de equilibrio, debido a la inercia que poseen los sistemas frente a todo tipo de transformaciones, pudiendo darse el caso de que, una vez que comience la solidificación la temperatura se eleve hasta la del equilibrio, debido a que el proceso es exotérmico.
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SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN DE METALES
Velocidad de solidificación La velocidad de solidificación viene determinada por el producto de las velocidades de: • Nucleación: número de núcleos estables formados por unidad de tiempo. • Crecimiento: aumento de peso de los núcleos por unidad de tiempo. Estas dos velocidades dependen de dos factores: De la fuerza inductora del proceso: viene dada por la diferencia energética existente entre la fase sólida y la líquida, que será tanto mayor cuanto mayor sea el grado se subenfriamiento (diferencia entre la temperatura de equilibrio y la del material) Del mecanismo de difusión: o de movilidad. Es necesario que sea alto, lo que lo fomenta temperaturas elevadas; es decir cuanto mayor sea el grado de subenfriamiento menor será la posibilidad de difusión. ÍNDICE
SOLIDIFICACIÓN O CRISTALIZACIÓN DE METALES
3. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES a) b) c) d)
Diagramas de equilibrio o de fases Diagramas de equilibrio de elementos puros Regla de las fases de Gibbs A. con solubilidad total en estado líquido y sólido e) A. con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total en estado sólido f) A. con solubilidad total en estado líquido y solubilidad parcial en estado sólido g) Compuestos intermetálicos
Diagramas de equilibrio o de fases DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES: representación grafica del estado de una aleación en función de su composición y la temperatura, manteniendo la presión constante. Los diagramas muestran los estados estables (mediante enfriamientos muy lentos, consiguiendo en todo momento el equilibrio), de una aleación (mínima energía libre). Estar en equilibrio quiere decir que por mucho tiempo que permanezca el material en unas condiciones estabilizadas de presión y temperatura no desaparecerán las fases existentes ni se crearán otras.
COMPONENTE: cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un sistema material FASE: cada una de las partes homogéneas de un sistema que se diferencia físicamente del resto ÍNDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Diagramas de equilibrio de elementos puros Una sustancia pura, como el agua, según las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentre, puede presentarse en tres estados o fases diferentes: sólido, líquido y gas. Línea de solidificación: coexisten 2 fases, líquido y sólido Línea de vaporización: coexisten 2 fases, líquido y vapor Línea de sublimación: coexisten 2 fases, sólido y vapor Punto triple del agua: coexisten las tres fases
En la figura se muestra el diagrama de fases del hierro puro; en este caso existen tres fases sólidas distintas, correspondientes a sus tres estados alotrópicos.
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Regla de las fases de Gibbs LEY DE GIBBS: es la relación entre el número de fases (F), el número de componentes (C) y las variables (G, grados de libertad) de un sistema heterogéneo en equilibrio. EN TODO EQUILIBRIO SE CUMPLE: F+G=C+2
GRADOS DE LIBERTAD: número de factores externos (temperatura, presión y concentración) que pueden cambiarse sin variar el número de fases del sistema. En la práctica industrial se trabaja normalmente a presión constante e igual a la atmosférica (aunque realmente existen pequeñas variaciones); en estas condiciones la Regla de Gibbs se convierte en: F+G=C+1
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
A. con solubilidad total en estado líquido y sólido. A. isomórficas Se forma una única fase constituida por una solución sólida formada por sustitución Los 2 metales tienen, por lo general, la misma estructura cristalina Región bifásica, solución líquida homogénea
Curvas de enfriamiento
Diagrama de fases
TA y TB: puntos de solidificación de los metales puros. Línea de líquidus: inicio de la solidificación. Línea sólidos: final de la solidificación.
Composición química de las fases y Cantidades relativas de las fases ÍNDICE
Región bifásica, una fase sólida y una fase líquida
Región unifásica, solución sólida homogénea
Proceso de cristalización por enfriamiento en equilibrio
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Composición química de las fases y Cantidades relativas de las fases presentes Composición química de las fases: L
Fase líquida: C L Fase sólida: C α
L+α
Cantidades relativas de las fases: REGLA DE LA PALANCA: son inversamente proporcionales a la distancia en la isoterma hasta la línea de sólidus y líquidus
s
R
α
α
L
A. con solubilidad total en estado líquido y sólido ÍNDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Proceso de cristalización por enfriamiento en equilibrio
A. con solubilidad total en estado líquido y sólido ÍNDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
A. con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total en estado sólido (EUTÉCTICA) 100 0
100 0
100 0
100 0
100 0
100 0
%A
%B
LIQUIDO
TA
LIQUIDO +SOLIDO B
LIQUIDO +SOLIDO A
temperatura
E TE E
SÓLIDO A+ MEZCLA EUTECTICA
SÓLIDO B+ MEZCLA EUTECTICA
tiempo
EUTÉCTICA ÍNDICE
CASO PRÁCTICO DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
TB
TE
EUTÉCTICA Reacción eutéctica: transformación de fases en la cual toda la fase líquida se transforma por enfriamiento en dos fases sólidas isotérmicamente ( a Tª constante), dispuestas en forma de láminas entremezcladas. Las aleaciones eutécticas tienen una gran ventaja, funden a la más baja temperatura posible de estas aleaciones; por tanto, son idóneas para fabricar piezas fundidas, por llenar mejor los moldes y ser más homogéneas. Las transformaciones de fases transcurren con o sin cambio de composición: •Transformaciones congruentes: no alteran la composición. Ej.: cambios alotrópicos y fusión de materiales puros. •Transformaciones incongruentes: se produce un cambio en la composición. Ej.: reacciones eutéctica y eutectoide, fusión de aleaciones isomórficas.
A. con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total en estado sólido ÍNDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
CASO PRÁCTICO: H2O El agua es una de las pocas sustancias que al congelarse aumenta de volumen, o lo que es igual disminuye su densidad. Este hecho evita que las regiones polares de la Tierra se congelen en toda su superficie, ya que el hielo flota en el agua. ¿Cualquier sustancia nos permitiría rebajar el punto de congelación? Sí, por cada mol de partículas disueltas en un kilo de agua, el punto de congelación baja en aproximadamente 1,71,9 ° C. Podríamos añadir azúcar, alcohol, u otras sales que también bajaríamos el punto de congelación y derretiríamos el hielo. El descenso crioscópico es directamente proporcional a la molalidad o cantidad de soluto por kilo de disolvente. ÍNDICE
A. con solubilidad total en estado líquido e insolubilidad total en estado sólido
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
A. con solubilidad total en estado líquido y solubilidad parcial en estado sólido (EUTÉCTICA) La más frecuente Nunca cristalizan A y B puros, sino en forma de soluciones α y β. Estas soluciones limitadas por los ejes se llaman soluciones terminales. Línea de solvus: indica la máxima solubilidad de B en A (α)y de A en B (β). El punto de corte de las líneas de solvus con el eje de abscisas marcan la solubilidad a temperatura ambiente. La solubilidad baja al aumentar la Tª.
Diagrama Pb-Sn ÍNDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Diagrama de fases Pb-Sn
ÍNDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Diagrama de fases Pb-Sn
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Diagrama de fases Pb-Sn Aleaciรณn de composiciรณn C1
ร NDICE
Aleaciรณn de composiciรณn C2
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Diagrama de fases Pb-Sn Aleación de composición C3=CE
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES
Aleaci贸n de composici贸n C4
Compuestos intermetรกlicos
ร NDICE
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO O DE FASES