CAPITULO 6 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO 6.1.Introducción.Durante muchos años ha sido objeto de estudio la aparición o desaparición de fases que tienen lugar en el proceso de enfriamiento en un metal o de una aleación, y la mejor manera de realizar este estudio es mediante los diagramas de equilibrio. Para que el estado en equilibrio quede completamente determinado es necesario conocer los valores de tres variables independientes que son; la temperatura, la presión y la composición. En esencia el diagrama no es sino la representación gráfica de un sistema de aleación. 6.2.Coordenadas de los diagramas de fase. Un diagrama de fase no es sino un sistema de coordenadas cartesianas, en el cual se puede representar en ordenadas la temperatura en grados centígrados o Fahrenheit, y en abscisas la composición de la aleación, expresadas por los porcentajes en peso de sus constituyentes. La transformación de los porcentajes en peso a porcentajes en átomos puede llevarse a cabo mediante las siguientes fórmulas. 6.3. Métodos experimentales. Los datos necesarios para la construcción de los diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente por medio de una gran variedad de procedimientos, entre los cuales los más comunes son: El análisis térmico. Procedimiento metalográfico. Difracción de rayos X. 6.4. Tipo I-solubilidad total de dos metales en los estados sólido y líquido. Estos valores se obtienen de las distintas curvas de enfriamiento obtenidas experimentalmente. Por la misma razón situamos TB sobre el eje de la derecha. o sea metal puro B. 6. las temperaturas correspondientes a puntos característicos.Cuando dos metales son completamente solubles en estado sólido el único tipo de fase sólida que se forme será una solución sólida por sustitución.2. Por ejemplo. basta con situar en los ejes coordenados para los distintos valores de la composición. Si tomamos diversas concentraciones del metal B en A y trazamos sus curvas de enfriamiento empezando por la aleación de 0% de B. en la fig. A continuación para trazar el diagrama de equilibrio real. y terminando por el 100% de B. como el eje de la izquierda representa el metal puro A. obtenemos la serie de curva representadas en la figura 6. o sea metal A puro. se sitúa sobre el la temperatura TA.1. . mientras que la que une los puntos finales de la solidificación se conoce como línea de sólidus.6.La línea que resulta de unir los dos puntos correspondientes al comienzo de la solidificación se denomina línea de líquidus. 6. que consisten en equilibrio a una temperatura cualquiera correspondiente a la región bifásica. Regla II – cantidades relativas de cada fase.20 B. la aleación 80 A. Ejemplo: Fig. 6.5. 6. . Regla I – composición química de las fases.3. Para determinar la composición química de la fases de una aleación. la cual se encuentra a la temperatura T. hasta que corta a las líneas que delimitan dicha región. trazamos por ella una recta horizontal llamada línea de enlace. a la temperatura To. que a una temperatura dada.Para determinar las cantidades relativas de cada fase.7. Si suponemos que la longitud total de la línea de enlace representa el peso total o 100% de la dos fases presentes a la temperatura T.3.30 B. divide a la línea de enlace horizontal mn y no. Considerando la fig. se halla 6.5). la regla de la palanca puede expresarse por: Si representamos solamente la línea de enlace e indicamos sobre ella los valores compuestos. de una aleación particular 70 A. El punto de intersección de ambas rectas divide a la línea horizontal en dos segmentos cuyas longitudes son inversamente proporcionales a las cantidades de frases presentes. 6. Esta regla se conoce también como la regla de la palanca. vemos que la vertical correspondiente a la aleación 80 A. 6. Enfriamiento en condiciones de equilibrio de una aleación que forma una solución sólida. para observar las transformaciones de fase que tienen lugar. Esta aleación (fig. A continuación vamos a estudiar el enfriamiento muy lento. 6. obtengo la fig.4. en condiciones de equilibrio. constituye una solución . Aplicando las ecuaciones anteriores. coexisten en equilibrio en la región bifásica. su composición es 95 A (regla I). por tanto. sino también la de solución sólida. Luego a medida que disminuye la temperatura. Los cristales de α2 que se forman a T2 rodean los núcleos de composición α1. la única que puede formarse es α2. no solo la composición del líquido. se enriquecen en B. las cantidades relativas de solución sólida y liquida presentes se determina utilizando la regla II. A esta misma temperatura. permaneciendo en tal estado hasta que su temperatura disminuye a T1. la formación del líquido es correspondiente a L2. Cuando esta aleación se encuentra a T2. la única solución sólida que puede coexistir en equilibrio con L2 y.liquida monofásica homogénea. 6. Al llegar a este punto se inicia la solidificación formándose cristales de solución solida de composición α1.6). separando también dendritas de α2 (fig. . punto de fusión.8.7).A medida que disminuye la temperatura comienza el crecimiento de la solución sólida.8). 6. Puesto que la intensidad del ataque químico. cabe suponer que con la velocidad de enfriamiento normal. empleando los reactivos adecuados. se presentarían algunas diferencias respecto a los resultados indicados en el diagrama de equilibrio. podremos ver al microscopio la estructura dendrítica (fig. Como la difusión de estado sólido se verifica a velocidades muy pequeñas. 6. que es la que ha solidificado la última. Enfriamiento en que no se cumplen las condiciones de equilibrio-origen de la segregación. la solución solida final está constituida por una estructura “segregada” formada por una parte central más rica en metal de alto. 6. Refiriéndonos nuevamente a la aleación 70 A (fig. Este proceso se conoce como fenómeno de segregación dendrítica. varia con la composición. . correspondiendo la línea de trazos a la aleación 85Cu-15Ni. La Fig. En la mayoría de los metales la velocidad de difusión a la temperatura ambiente es muy pequeña.Homogenización.6. .9. De lo expuesto en el párrafo anterior al tratar del origen de una estructura segregada se deduce que la última porción de líquido que solidifica a lo largo de los contornos de grano y en los espacios interdendríticos es muy rica en metal de alto punto de fusión.9 representa el diagrama de equilibrio real del sistema cobre-níquel. 6. La Fig. X50. durante 15 horas. X50. (4) fundida en lingotera caliente. (3) fundida en coquilla y calentada durante 9 horas a 950⁰C X50. (5) fundida en lingotera caliente y calentada a 950⁰C. 6.10 muestra Micrografías correspondientes a una aleación 85Cu-15Ni. . X50. (1) fundida en coquilla. (2) fundida en coquilla y calentada a 750⁰C durante 3 horas. la resistencia y la dureza presentaran cada una un máximo. . aunque ambos no tienen necesariamente que corresponder a una misma aleación.1 muestra la influencia que ejerce la composición sobre algunas propiedades físicas y mecánicas de las aleaciones del sistema cobre-níquel.10. La tabla 6. Características de las aleaciones que presentan solubilidad total en estado sólido.6. En general en los sistemas de aleación que dan lugar a una serie continua de soluciones sólidas. la ductilidad y conductividad eléctrica presentan un mínimo. Por el contrario. 6.12. denominada mezcla eutéctica. se obtiene un diagrama de equilibrio análogo al de la Fig. Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles.15.16). Sin embargo. uno en otro.12a.13 representa las curvas de enfriamiento de los metales puros y de algunas de sus aleaciones. Veamos como solidifica la aleación 1 de la Fig. Casos que pueden presentarse en la solidificación de las aleaciones de tipo I. Por encima del punto E.11. la cual puede escribirse en la forma . La transformación a temperatura constante de este líquido de composición E en dos sólidos se conoce como reacción eutéctica. Todas las aleaciones incluidas dentro del tipo I funden a una temperatura comprendida entre los puntos de fusión de A y de B. 6.6. que normalmente solo es visible al microscopio (Fig. en algunos sistemas.caso de los metales totalmente solubles en estados líquidos y totalmente insolubles en estados sólidos. Tipo II. Por tanto a temperatura constante. Sin embargo en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente pueden considerarse como insolubles. La Fig. b). 6. la aleación se halla en estado líquido formando una solución homogénea. 6. Si sobre un gráfico de temperaturas y composiciones llevamos los puntos singulares de las curvas de enfriamiento. 6. 6. puede darse el caso de que las líneas de líquidus y sólidus pasen por un máximo y un mínimo (Fig. obteniendo una mezcla extraordinariamente fina de estos metales.14. a la temperatura To. 40A-60B. solidifican alternativamente metal puro A y metal puro B. cuya composición es la eutéctica. .17.18. 6. muestra la relación existente entre la composición de la aleación y las cantidades relativas de los constituyentes. La Fig. se puede observar las fases del enfriamiento lento de una aleación 80A20B. 6.En la Fig. . . 22. en el estado sólido. caracterizándose porque. la aleación 2 (Fig. como se observa en las micrografías de las Figs.6. Tipo III-sistema de dos metales totalmente solubles en el estado líquido. Finalmente. La aleación 3 (Fig. 6. 6. las soluciones de un metal en otro que se forme tiene un límite de saturación. 6. La aleación 1. los números del fondo corresponden a las microfotografías de la Fig.19.21. 6.20 f. 6. .20 c) corresponde a la composición eutéctica. está formada por dendritas de aluminio primario o proeutéctico rodeadas por una mezcla eutéctica de aluminio y silicio. representa el diagrama de fase simplificado aluminio-silicio. La Fig. la cual contiene un 8% de silicio. está formada por aluminio puro cuya microestructura es la que aparece en la Fig.13. El diagrama de equilibrio correspondiente al de este tipo es el representado en la Fig. situada a la izquierda de la Fig. 6. la Fig.20 d y e. Conforme vamos avanzando hacia la derecha. 6. y parcialmente solubles en el estado sólido. 6.20 b).19. 6. Este tipo podemos considerarlo como un caso intermedio entre los dos explicados anteriormente. con un 12% de silicio. la microestructura estará formada por cantidades cada vez mayores de silicio primario (negro) como corresponde a contenidos crecientes de silicio y por mezcla eutéctica. y su microestructura está formada totalmente de una mezcla eutéctica.20 a. muestra la microestructura del silicio puro. . . . .La relación eutéctica que tiene lugar puede escribirse en la forma.