3er Informe - Diagrama de Fases

FISICOQÚIM [TERMODIN [TERMODINÁMICA ÁMICA DE GASES] GASES] ICA

1 3er Informe


1. INT INTRO RODUC DUCCIÓ CIÓN N El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con apro aproxima ximada dame ment nte e la mism misma a co comp mpos osic ició ión n y propi propied edade adess en todo todo el material que la constituye y con una inter fase denida con toda otra fase ecina. !uede tener uno ó arios componentes. "e#e diferenciarse del concep concepto to de compon component ente, e, que se reer reere e al tipo tipo de materi material al que puede puede distinguirse de otro por su naturale$a de sustancia qu%mica diferente. !or e&emplo, una solución es un sistema homogéneo 'una sola fase( pero sin em#argo est) constituida por al menos dos componentes. !or otro lado, una sustancia pura 'un solo componente( puede aparecer en dos de sus estados f%sicos en determinadas condiciones y as% identicarse dos fases con diferente organi$ación atómica y propiedades cada una y con una clara supercie de separación entre ellas 'inter fase(. *os equili#rios entre fase fasess pued pueden en co corr rres espo pond nder er a los los m) m)ss ari ariad ados os tipo tiposs de sist sistem emas as heterogéneos+ un l%quido en equili#rio con su apor, una solución saturada en equili#rio con el soluto en exceso, dos l%quidos parcialmente solu#les el uno en el otro, dos sólidos totalmente solu#les en equili#rio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solu#les en equili#rio con un compuesto forma formado do entr entre e ello ellos, s, etc. etc. El o#&e o#&eti tio o es desc descri ri#i #irr co comp mple letam tamen ente te el sistema. El comportamiento de estos sistemas en equili#rio se estudia por medio de gr) gr)co coss que que se co cono noce cen n co como mo diag diagra rama mass de fase fase++ se o#ti o#tien enen en gra graca cand ndo o en func funció ión n de ari aria# a#le less co como mo pres presió ión, n, temp temper erat atur ura a y composición y el sistema en equili#rio queda denido para cada punto 'los gr)cos de cam#io de estado f%sico ó de presión de apor de una solución de dos l%quidos son e&emplos de diagramas de fases(. *a mayor%a de los diagramas de fase han sido construidos segn condiciones de equili#rio 'condi 'condicio ciones nes de enfria enfriamie miento nto lento( lento(,, sie siendo ndo utili$ utili$adas adas por ingeni ingenier eros os y cient%cos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales. - partir de los diagramas de fase se puede o#tener información como+ •

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onocer que fases est)n presentes a diferentes composiciones y temperaturas #a&o condiciones de enfriamiento lento 'equili#rio(. -eriguar la solu#ilidad, en el estado sólido y en el equili#rio, de un elemento 'o compuesto( en otro "eterminar la temperatura en la cual una aleación enfriada #a&o condiciones de equili#rio comien$a a solidicar y la temperatura a la cual ocurre la solidicación.

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onocer la temperatura a la cual comien$an a fundirse diferentes fases.

*os equili#rios de fase y sus respectios diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en qu%mica, geolog%a y ciencia de los materiales. *a ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales cient%cos y tecnológicos.

2. OB OBJE JETI TIV VOS •

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onocer cómo construir un diagrama de fases, el punto eutéctico, cura de sólidos, l%quidos, etc. 0ra$ar 0ra$ar el diagrama de equili#rio del sistema !lomo  Esta2o a partir de composiciones diferentes en peso. e utili$ara el método del an)lisis térmico. 4#te 4#tene nerr las las cur curas as de enfr enfria iami mien ento to de cier cierta ta me$cl e$cla a de los los dos dos componentes. *os datos para dichas curas se o#tienen de&ando enfriar lentamente una me$cla fundida d composición conocida y registrando la temperatura a interalos regulares.

3. FUND FUNDAMEN AMENTO TO TEOR TEORICO ICO 5ran parte de la información acerca del control de la estructura de las fases en un determinado sistema se presenta de manera simple y concisa en lo que se deno denomi mina na un diagrama de fases, tam#ién denominado diag diagra rama ma de equi equili libr brio io. Exi Existe sten tres tres par) par)m metros tros contr ontro ola#l la#les es externamente que afectan la estructura de las fases+ temperatura, presión y co comp mpos osic ició ión. n. *os diag diagra rama mass de fase fasess se co cons nstr truy uyen en gra graca cand ndo o diferentes com#inaciones de estos par)metros.

Conceptos Bs!cos •

A"e#c!$n% Es una sustancia que tiene propiedades met)licas y est) constituido por dos o m)s elementos qu%micos, de los cuales por lo meno me noss uno uno es me meta tal. l. 6n sist sistem ema a de alea aleaci ción ón co cont ntie iene ne toda todass las las aleaciones que pueden formarse por arios elementos com#inados en todas las proporciones posi#les. *as aleaciones pueden clasicarse de acue ac uerd rdo o a su es estr truc uctu tura ra,, en tant tanto o que que los los sist siste ema mass de alea aleaci ción ón comp co mple leto toss pued pueden en clasi clasic cars arse e se seg gn n el tipo tipo de su equi equili li#ri #rio o o de diagrama de fase.

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Co&ponente+ *o *oss compon component entes es son metale metaless puros, puros, compue compuesto stoss o am#os, de los cuales se compone una aleación. !or e&emplo, en un latón u7n, los componentes son co#re y $inc. S!ste&#+ !uede hacer referencia a dos signicados. En primer lugar, puede puede refer referirs irse e a un cuerpo cuerpo espec% espec%c co o de materi material al en estudi estudio o 'por 'por e&emplo, una cuchara de acero fundido(. 4 #ien, puede referirse a una serie ser ie de posi#le posi#less ale aleaci acione oness de los mismo mismoss compon component entes, es, pero pero sin considerar la composición de la aleación 'por e&emplo, el sistema hierro car#ono(. So"'to% omponente o elemento de una disolución presente en una composición menor. menor. e disuele en el disolente. So"(ente% omponente o elemento de una disolución presente en una composición mayor. mayor. El solente disuele al soluto. )*&!te +e so"',!"!+#+% Es la concentración m)xima de soluto que se puede a2adir sin que se forme una nuea fase. D!so"'c!$n s$"!+ D!so"'c!$n s$"!+# #+ onsiste en )tomos de por lo menos dos tipos dife diferrente ntes, en dond donde e los )tom tomos de so solluto uto oc ocup upan an posi posici cion one es sustitucionales o intersticiales en la red del disolente, conserando la estructura cristalina del disolente. F#se% Es una porción homogénea de un sistema que tiene caracter%sticas f%sicas y qu%micas uniformes. 0odo material puro es de una fase 'monof)sico(, al igual que cualquier disolución sólida, l%quida o gaseosa. !or e&emplo, una disolución l%quida de a$car en agua es de una sola fase. 6na disolución so#resaturada de a$car en agua tiene dos fases+ a$car 'sólida( y la solución de a$car en agua 'l%quida(. 0am#ién, 0am#ién, una sustancia puede existir en dos o m)s formas polimórcas 'por e&emplo, si tiene estructuras c#ica de cuerpo centrada y c#ica de caras centrada(. ada una de estas estructuras es una fase separada porque sus caracter%sticas f%sicas respectias son diferentes. Ene-*# )!,-e% Es una propiedad termodin)mica, función de la energ%a interna de un sistema y su entrop%a 'aleatoriedad o desorden de los )tomos o moléculas del sistema(. S!ste&# en E/'!"!,-!o% 6n sistema se dice que est) en equili#rio si su energ%a li#re es m%nima, para una com#inación espec%ca de presión, temper temperatur atura a y composi composició ción. n. "esde "esde el punto punto de ista ista macro macroscó scópic pico, o, 8 3er Informe


signica que las caracter%sticas del sistema no cam#ian con el tiempo. Es decir, el sistema es esta#le. 6n cam#io de temperatura, presión y9o composición en un sistema en equili#rio, conducir) a un aumento en la energ%a li#re y a un posi#le cam#io espont)neo a otro estado de menor energ%a li#re. •

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E/'!"!,-!o &et#est#,"e% En algunos sistemas sólidos, la elocidad a la cual se alcan$a el equili#rio 'estado de m%nima energ%a( es tan lenta que no siempre se logra en un tiempo ra$ona#le. En estos casos, y a los nes pr)cticos, el sistema logra un equili#rio :metaesta#le; que puede persistir indenidamente, o #ien, experimentan cam#ios muy ligeros o casi ca si impe imperc rcep epti ti#l #les es a me medi dida da que que pasa pasa el tiem tiempo po.. 6n e&em e&empl plo o de equili#rio metaesta#le es el diamante 'la forma esta#le es el grato(. gra to(. M!c-oest-'ct'-#+ e reere a la estructura que se reela por o#seración microscópica directa, por medio del microscopio óptico o electrónico. 6na microestructura se caracteri$a por el nmero de fases prese presente ntes, s, sus propor proporcio ciones nes y la manera manera en que se distri distri#uy #uyen. en. *a micr microe oest stru ruct ctur ura a de una una alea aleaci ción ón depe depend nde e de+ de+ elem elemen ento toss alea aleant ntes es presentes, concentraciones, temperatura y tratamiento térmico de la aleación. D!#-#&# +e 0#ses+ El diagrama de fase es la representación gr)ca del estado de una aleación. i ar%a la composición de la aleación, su temperatura, presión y el estado de la aleación tam#ién cam#ia, esto se re

en forma matem)tic matem)tica a por medio medio de la llamada regla de las fases o ley de Gibbs. *a regla de las fases es la expresión matem)tica de las condiciones de equili#rio del sistema, es decir, la ecuación de la regla de las fases indica la dependencia cuantitatia entre el nmero de grados de li#ertad del sistema c y el nmero de componentes > y de fases f+

c  042 *a regla de las fases, como se di&o anteriormente, da la dependencia cuantitatia entre el grado de li#ertad del sistema y el nmero de fases y compon component entes. es. *as pala#ra pala#rass ?fase? ?fase? y ?compo ?componen nente? te? se utili$ utili$an, an, al estudiar la regla de las fases, hay que denir estos conceptos de un modo m)s exacto.

@ 3er Informe


5. MA MATER TERIA)E IA)ES S 6 EQUI7OS EQUI7OS • • • • • • • •

1 horno de la#oratorio a gas. 1 crisol de grato, car#uro de silicio o porcelana de =A ml de capacidad. 1 termómetro de 1A a 8/AB. 1 pin$a para su&etar el crisol, y cronómetro. gr. de !# puro, ........gr. de n puro, y una #alan$a. 1 mechero de gas, 1 #agueta. 1 soporte uniersal y 1 pin$a para su&etar el termómetro. termómetro. 1 lingotera.

C 3er Informe


7ROCEDIMIENTO 1. !esamos las !lomo '!#( y requeridas para aleación de los

cantidades de Esta2o 'n( ela#orar la metales.

2. -rmamos el se muestra en la

equipo tal como imagen.

D 3er Informe


3. olocamos le n y el !# dentro del horno.

risol con el

5. !rendemos el echero y lo colocamos de#a&o del crisol y esperamos a que los metales se licuen.

 3er Informe


8. -gitamos la solución con la #agueta para homogenei$arla y apagamos le mechero, introducimos el termómetro termómetro para medir la temperatura.

9. 6na e$ que la temperatura ha llegado a su punto m)ximo y comi co mien en$a $a el desc descen enso so co come men$ n$am amos os a toma tomarr me medi dici cion ones es de la temperatura a interalos de = segundos hasta que la solución haya solidicado por completo.

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:. a ale lent ntam amos os una una e$ e$ m) m)ss hast hasta a logr lograr ar re reti tira rarr el termó termómet metro ro y conseguir una solución l%quida. ;. Gertemos la solución mientras se encuentra l%quida en la lingotera que ha sido preiamente calentada y conseguimos un lingote de forma cónica.

11 3er Informe


8. AN<)ISIS DE RESU) RESU)TADOS En el la#oratorio tomamos los siguientes datos+ TIEM7O ?s@ = 8 1= 18 2= 28 3= 38 5= 58 8= 88 9= 98 := :8 ;= ;8 = 8 1== 1=8 11= 118 12= 128 13= 138 15= 158 18= 188 19= 198 1:= 1:8 1;= 1/ 3er Informe

9=> 7, TEM7ERATUR A ?C@ 3@A 3= 3=D 3== 3=A 388 38A 33D 33A 3/@ 3// 3/A 318 31A 3A 3AC 3A/ 3A/ 3AA /D /D /= // /A /DD /D8 /DA /CC /C/ /CA /@8 /@/ /=D /=@ /=/ /8D /8=

5=> 7, TEM7ERATUR A ?C@ 3DC 3D8 3D/ 3CC 3C= 3=D 38 388 38A 33@ 33/ 3/D 3/8 31 31@ 31/ 3AD 3AC 3A@ 3A8 3A/ 3A1 / /@ /8 // /DD /D8 /DA /CC /C8 /CA /@C /@8 /@A /=D /=8

FISICOQÚIM [TERMODIN [TERMODINÁMICA ÁMICA DE GASES] GASES] ICA 1;8 1= 18 2== 2=8 21= 218 22= 228 23= 238 25= 258 28= 288 29= 298 2:= 2:8 2;= 2;8 2= 28 3== 3=8 31= 318 32= 328 33= 338 35= 358 38= 388 39= 398 3:= 3:8 3;= 3;8 3= 38 5== 13 3er Informe

/8/ /3 /3D /3@ /31 //D //@ //8 //1 /1 /1D /1@ /13 /1/ /11 /11 /1A /A /AD /AC /A@ /A8 /A/ /AA 1D 1@ 18 1/ 1A 1DD 1DC 1DC 1D8 1D/ 1DA 1C 1CC 1C@ 1C@ 1C@ 1C@ 1C@ 1C@ 1C@

/=/ /=A /=A /8@ /88 /81 /3 /3@ /38 /3/ /3A //D //@ //1 /1 /1C /1= /13 /13 /13 /13 /13 /1/ /11 /11 /1A /A /AC /A@ /A= /A8 /A/ /A1 /AA 1D 1@ 1= 13 1/ 1A 1D 1DC 1D@ 1D8

FISICOQÚIM [TERMODIN [TERMODINÁMICA ÁMICA DE GASES] GASES] ICA 5=8 51= 518 52= 528 53=

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1C= 1C3 1CA 1@@ 1@3 1@1

1D3 1D/ 1DA 1CD 1CC 1CC


9. CUEST CUESTION IONARI ARIO O :.1. :. 1.

A+' A+ 'nt nt##- "o "os s +#t +#tos os pp-op opoo-c! c!on on#+ #+os os po po-- e" e" p-o p-o0e 0eso so--

1= 3er Informe

!!"#b $%"#b &&"#b &!"#b T!e&p T!e& T T!e& T!e& T T T FISICOQÚIM [TERMODINÁMICA [TERMODIN DE GASES] GASES] po o po ÁMICA ? po ?C@ ?C@ ?C@ ICA ?s@ ?s@ C@ ?s@ ?s@ 38 A 3/ A A 33A A 3AA 38 1A 3/@ 1A 1= 318 1A /= 33 /A 3// /A 3A 3AA /A /D= 31C. 33 3A 3A 8= /DC 3A /CC 3/ 8A 31/ 8A @A /C8 8A /C= 31 =A 3A@ =A C= /@/ =A /@ 31 @A 3A1 @A A /=/ @A /@8 3A 1A= CA /= CA /8D CA /= 3A 1/A DA /A DA /8/ DA /== 3A 13= A /DC A /3C A /8 1AA /D= 1AA 3A 1=A /3A 1AA /88 11A /C 11A 3A 1@= //= 11A /8A 1/A /CA 1/A 3A 1DA /1D 1/A /3@ 13A /@/ 13A 3A 1= /1A 13A /3/ 18A /=C 18A / /1A /A8 18A //D 1=A /=/ 1=A /D //= 1@ 1=A //8 1@A /8C 1@A /C /8A 1A 1@A //A 1CA /8A 1CA /@ /== 1D8 1CA /1D 1DA /= /CA 1CD 1DA /18 1A /= /D= 1C/ 1A /1/ /AA /8 3AA 1@D /AA /1A /1A /3 31= 1@= /1A /AC //A /3 33A 1@3 //A /A8. /3A // 38= 1=. /3A /A1 /8A // 3@A 1=8. /8A 1 /=A /1 3C= 1=A /=A 1@ /@A /1 3A 18= /@A 13 /CA /1 8A= 181 /CA 1A /DA /1 8/A 13C /DA 1DD /A /A 83= 133. /A 1D8 3AA /A 8=A 13A 3AA 1D/ 31A 1 8@= 1/C 31A 1C 3/A 1 8DA 1/8. 3/A 1CC 33A 1D 8= 1/1. 33A 1C= 38A 1D =1A 11. 38A 1C1 3=A 1D 3=A 1@ 3@A 1C 3@A 1@C 3CA 1C 3CA 1@= 3DA 1C 3DA 1@1 3A 1@ 3A 1@A 1@ 3er Informe 8AA 1@ 8AA 1@A 81A 1@ 81A 1=.

'&"#b T!e& T po ?C@ ?s@ A 33A 1= 318 3A 3AA 8= /DC @A /C8 C= /@/ A /=/ 1A= /8D 1/A /8/ 13= /3C 1=A /3A 1@= //= 1DA /1D 1= /1A /1A /A8 //= 1@ /8A 1A /== 1D8 /CA 1CD /D= 1C/ 3AA 1@D 31= 1@= 33A 1@3 38= 1=. 3@A 1=8. 3C= 3A 8A= 8/A 83= 8=A 8@= 8DA 8= =1A =/= =8A ===

1=A 18= 181 13C 133. 13A 1/C 1/8. 1/1. 11. 11= 11/ 11A


1C 3er Informe


1D 3er Informe

'%"#b (!"#b T!e&p T!e& T T FISICOQÚIM [TERMODINÁMICA [TERMODIN o po ÁMICA ?C@ ?C@ ICA?s@ ?s@ 38A A /= A 33= 1A /A 1= 3/D /A /D 3A 31 3A /D= 8= 31A 8A /D/ @A 3A= =A /CD C= /= @A /C1 A CA /@8 1A= /DD DA /= 1/A /DA A /=A 13= /C3 1AA /8= 1=A /@@ 11A /3C 1@= /@A 1/A /3A 1DA /== 13A //8 1= /8= 18A /1 /1A /8A 1=A /1/ //= /3= 1@A /AD /8A /3A 1CA /A3 /== //= 1DA 1 /CA /1 1A 18 /D= /13 /AA 13 3AA /AD /1A 1A 31= /A= //A 1DC 33A /AA /3A 1D8 38= 11 /8A 1DA 3@A 1D /=A 1C 3C= 1DD /@A 1C@ 3A 1D= /CA 1C8 8A= 1DA /DA 1C/ 8/A 1CC /A 1C1 83= 1C= 3AA 1C1 8=A 1C8 31A 1C1 8@= 1C3 3/A 1C1 8DA 1C/ 1CA. 33A 8= 1C1. 38A 1CA =1A 1C1 3=A 1@ =/= 1CA 3@A 1@C =8A 1@= 3CA 1@3 === 1@1 3DA 1= =CA 1=C 1=@ =D= 1=3 1 33erA Informe 8AA 1=/ @AA 18 81A 18 @1= 18@

)!"#b T!e& T DE GASE poGASES] ?S] ?s@ C@ /= A /8 1A /8 /A /3 3A /3 8A // =A // @A // CA /1 DA /1 A 1AA /1 11A /A 1/A /A 13A /A 18A 1 1=A 1 1@A 1 1CA 1D 1DA 1D 1A 1D /AA 1D /1A 1C //A 1C /3A 1C /8A 1C /=A 1@ /@A 1@ /CA 1@ /DA 1@ /A 1@ 3AA 1@ 31A 1@ 3/A 1@ 33A 1@ 38A 1@ 3=A 1@ 3@A 1@ 3CA 1@ 3DA 1@ 3A 1@ 8AA 1= 81A 1=

*!"#b T!e& T po ? ?s@ C@ /D A /C 1A /C /A /@ 3A /= 8A /= =A /= @A /8 CA /3 DA /3 A /3 1AA // 11A // 1/A // 13A /1 18A /1 1=A /1 1@A /A 1CA /A 1DA /A 1A 1 /AA 1 /1A 1 //A 1D /3A 1D /8A 1D /=A 1D /@A 1D /CA 1D /DA 1C /A 1C 3AA 1C 31A 1C 3/A 1C 33A 1C 38A 1C 3=A 1C 3@A 1@ 3CA 1@ 3DA 1@ 3A 1@ 8AA 1@ 81A

+!"#b T!e& T po ?C@ ?s@ /A A /DD 1= /D= 3A /C 8= /C/ @A /@ C= /=A A 1A= /8@ 1/A /3 13= /38 1=A //D 1@= /// 1DA /1@ 1= /13 /1A /1A //= /AD /8A /A= /== /A8 /CA /A3 /D= /AA 3AA 1C 31= 1= 33A 11 38= 1DD 3@A 1D= 3C= 1D1 3A 1C 8A= 1CD 8/A 1CD 83= 1CC. 8=A 1C= 8@= 1@D 8DA 1@/ 8= 1=C =1A 1=3 =/= 18 =8A 18= === 18/ =CA 13 =D= 13C @AA 13= @1= 1/


:.2. :. 2.

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/A 3er Informe


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Te&pe-#t'-# e&p e-#t'-# ?AC@ ?A C@

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/1 3er Informe

FA

1A 1AA


// 3er Informe


:.5. Ap"!c#c!o !on nes +e +e" 7, 7,H Sn Sn  #"e#c!o !on nes Ap"!c#c!ones +e" p"o&o El plomo es un metal pesado 'densidad relatia, o graedad espec%ca, de 11,8 a 1@(, de color a$uloso, que se empa2a para pa ra adquirir un color gris mate. Es
/3 3er Informe


Ap"!c#c!ones +e" est#o El esta2o se utili$a en el reestimiento de acero para protegerlo de la corr co rros osió ión. n. *a ho&a ho&ala lata ta,, ac acer ero o es esta ta2a 2ado do,, sigu sigue e sien siendo do un ma mate teri rial al importante en la industria conseres y destino de aproximadamente la mitad del esta2o met)lico producido en el mundo aunque est) siendo despla$ado por el aluminio. *a segunda aplicación en importancia es la soldadura #landa de tu#er%as y circuitos eléctricos y electrónicos. El esta2o tam#ién de#ido a su esta#ilidad y su falta de toxicidad se util utili$ i$a a co como mo rec ecu# u#ri rimi mien ento to de me meta tale les+ s+ rec ecu# u#ri rimi mien ento to de hierro 'ho&alata( para la industria conserera, lo que se hace por electrólisis o inmersión. Esto consume aprox a proximadamente imadamente el 8AH del esta2o. on los metales forma aleaciones+ #ronces 'co#re ' co#reesta2o(, esta2o(, esta2o de sold so ldar ar '@8H '@8H es esta ta2o 2o,, 3@H 3@H plomo plomo,, punto de fusión 1D1(, metal de imprenta 'hasta 1=H de esta2o( y para fa#ricar co&inetes '3AH esta2o, ant antimon imonio io y co#r o#re(. Es inte interresa sant nte e la alea aleaci ción ón de nio#io nio#ioesta2o esta2o superconductora a muy #a&as temperaturas. Esto puede ser importante en la construcción de imanes superconductores que generan fuer$as muy grandes con poca potencia+ conectados a una peque2a #ater%a y con un peso de pocos >g, generan campos magnéticos con una fuer$a compara#le a la de los electroimanes normales de 1AA toneladas y, adem)s, éstos ltimos tienen que estar conectados continuamente a una gran fuente de alimentación. Entre los compuestos destaca el cloruro de esta2o 'II(, que se usa como agente reductor y como mordiente de telas calicó. El hidruro de esta2o 'IG( descompone por encima de los 1=A y forma un espe&o de esta2o en las paredes del recipiente. *as sales de esta2o puleri$adas so#re idrio se utili$an para producir capas conductoras que se usan en paneles luminosos y calefacción de cristales de coches. !eque eque2a 2ass ca cant ntid idad ades es de es esta ta2o 2o en los los alim alimen ento toss enla enlata tado doss no es peli peligr gros oso. o. *o *oss co comp mpue uest stos os tria trialq lqui uill y tria triari rill es esta ta2o 2o se usan usan co como mo #iocidas y de#en mane&arse con cuidado. El hidruro de esta2o 'IG( es un gas enenoso.

/8 3er Informe


A"e#c!ones +e est#op"o&o p#-# so"+#+'-# ,"#n+# uadro para la selección de aleaciones

*a gama incluye aleaciones con composiciones que an desde un @A H esta2o a un 8A H plomo con una gama corta de temperaturas de fusión comprendida entre 1D3 y 1A B, de termo
Ap"!c#c!ones +e este p-o+'cto *a uti utili$ li$ac ació ión n de plo plomo en los prod produc ucto toss se a rec econ onoc ociiendo endo progresiamente progresiamente como indesea#le, tanto en términos de su repercusión medioam#iental a largo pla$o como en la capacidad de recicla&e de dich dichos os prod produc ucto tos. s. !or co cons nsig igui uien ente te,, la util utili$ i$ac ació ión n de me meta tale less de aportación que contengan plomo continuar) reduciéndose.

/= 3er Informe


*a "irectia /AAA9=39E relatia a los eh%culos al nal de su ida til, la "irec irecti ti a /AA/9 /9=9 so so#r #re e restri stricccion cione es a la util utilii$aci $ació ón de det determi ermina nada dass sust sustan anccias ias peli peligr gro osa sass en apar aparat atos os eléc eléctr triico coss y elec electr trón ónic icos os y la "ir "irec ecti tia a /AA/ /AA/9 9@9 @9 so#re so#re resi residuo duoss de apar aparat atos os eléctricos y electrónicos 'M-EE( proh%#en la utili$ación de determinadas sustancias peligrosas, incluidos los materiales que contengan plomo. *a utili$ación de plomo en los sistemas de agua pota#le se ha prohi#ido en Europa y en muchos pa%ses de todo el mundo. !ese a tales consideraciones, un gran nmero de empresas contina utili$ando metales de aportación con contenido de plomo. e tendr)n en cuenta alternatias sin plomo, tales como las de N, CN y !8AN siempre que sea posi#le.

:.8. Ot-os &Kto+os eGpe-!&ent#"e "es s p#-# "# cons nstt-'cc!$ !$n n +e +!#-#&#s +e 0#ses *os datos para construir diagramas de equili#rio o diagramas de fase fa se se determinan experimentalmente por diersos métodos, entre los cuales los m)s comunes son+

A@ An"!s!s TK-&!co% Este Este es el métod étodo o m)s usad usado, o, cuan cuando do se hace hace un diag diagra rama ma de temperatura contra tiempo, a composición constante, la cura mostrar) un cam#io de pendiente cuando ocurre un cam#io de fase. Este método parece parece ser me me&or &or para para deter determin minar ar la temper temperatu atura ra de sol solidi idica cació ción n inicial y nal. Este método es el que se ha seguido en esta pr)ctica de la#oratorio, o#te o#teni nien endo do los los dato datoss co corrresp respon ondi dien ente tess para para la ela# ela#or orac ació ión n del del diagrama de fases.

B@ MKto+os MKt#"o-cos% MKt#"o-cos% Estos consisten en calentar muestras de una aleación a diferentes temperaturas, esperando que el equili#rio se esta#le$ca y entonces se enfr%an r)pidamente para retener su estructura de alta temperatura, entonces las muestras se anali$an al microscopio. Es complicado aplicar este método a metales a altas temperaturas, ya que que las las mues muestr tras as enfr enfria iada dass r)pi r)pida dame ment nte e no siem siempr pre e reti retien enen en su estructura de alta temperatura. /@ 3er Informe


C@ D!0-#cc!$n +e R#os L% Este método mide las dimensiones de la red, indicada la aparición de una nuea fase, ya sea por el cam#io en las dimensiones de la red o por la aparición de una nuea estructura cristalina.

:.9. :. 9.

Desc De sc--!p !pc c!$ !$n n +e "o "os s +! +!# #--#& #&#s #s +e 0#s #se es

DIARAMA DE FASES DE UN SO)O COM7ONENTE *os diag diagra rama mass de fase fasess de es esta ta se secc cció ión n co corrres espo pond nden en para para una una sustancia pura 'la composición se mantiene constante(. Esto signica que las nicas aria#les de interés son la presión y la temperatura. !or ello, estos diagramas se conocen como diagrama !0. El diagrama !0 del agua se muestra en la Figura 1, donde se o#seran regiones para tres fases diferentes+ sólido, l%quido y apor. ada una de las fases existe en condiciones de equili#rio a traés de los interalos presióntemperatura de su )rea correspondiente. correspondiente. ada una de las tres curas de este diagrama 'a4, #4 y c4( son l%mites de fases. ualquier punto de estas curas representa un equili#rio entre las dos fases a cada lado. 0am#ién, al cru$ar una l%nea 'al ariar la pres presió ión n o la temp temper erat atur ura( a(,, una una fase fase se tran transf sfor orma ma en otra. otra. !or e&emplo, a una presión de 1 atm, durante el calentamiento, ocurrir) la fusión del hielo a AB y posteriormente la apori$ación del l%quido a 1AAB 'punto / y 3 de la Figura 1, respectiamente(. respectiamente(.

/C 3er Informe


F!'-# 1. Diagrama de fases de #resi,-.Tem/era0ura /ara el agua1 CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UN COM7ONENTE 7URO El an)lisis térmico es el estudio de la ariación de temperatura que expe xperime riment nta a un metal tal o ale aleac aciión dura durant nte e su cale alentam ntamiiento nto o enfr enfria iami mien ento to.. i se sumi sumini nist stra ra ca calo lorr a un ma mate teri rial al me met) t)li lico co,, és éste te experimentar) un aumento de temperatura. on cantidades de calor constante por unidad de tiempo se tendr) una eleación continua de temp temper erat atur ura a en el ma mate teri rial al,, siem siempr pre e que que és éste te no exper xperim imen ente te transformación alguna. *a representación gr)ca de la ariación de la temp temper erat atur ura a del del mater ateria iall co con n el tiem tiempo po se deno denomi mina na cur cura a de calentamiento o cura de enfriamiento. 6n metal que no experimenta transfo transform rmaci ación ón alguna alguna en el rango rango de temper temperatu aturas ras consid considerad eradas, as, posee las curas de calentamiento y enfriamiento que se muestra en la Figura /.

F!'-# 2.

Cur2a de

3ale-0amie-0o 4i5q6 y de e-friamie-0o 4der6 de u- sis0ema si- 3ambio de fases1

*as transformaciones de fases ocurren generalmente con a#sorción o desprendimiento de energ%a. i durante el enfriamiento de un metal éste pasa por una temperatura a la cual ocurre un cam#io microestructural, su cura de enfriamiento presentar) una in
/D 3er Informe


F!'-# 3. I5q1 Cur2a de e-friamie-0o de u- me0al /uro1 I5q1 Se mues0ra la mese0a dura-0e la solidi73a3i,-1 Der1 Der1 Sube-friamie-0o -e3esario /ara 3ome-5ar la solidi73a3i,-1

En la pr)ctic pr)ctica a suele suele necesi necesitar tarse se un peque2 peque2o o su#enf su#enfria riami mient ento o para lograr el comien$o de la solidicación 'Figura 3(. 6na e$ comen$ada la cristali$ación, la temperatura su#e hasta el alor que le corresponde y se mantiene constante durante toda la solidicación. *uego sigue el enfriamiento, ya en fase sólida.

DIARAMA DE FASES BINARIOS *os diagramas de fases #inarios tienen sólo dos componentes. En ellos la pre presió sión se manti antien ene e const onstan antte, gene genera rallme ment nte e a 1 atm atm. *os par) par)me metr tros os aria aria#l #le es so son n la temp temper erat atur ura a y la co comp mpos osic ició ión. n. *os diagramas de fases #inarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura, composición y cantidad de fases en equili#rio, las cual cuales es in
Sis0emas Isomorfos 8i-arios *os sistemas #inarios se denominan isomorfos cuando existe solu#ilidad completa de los dos componentes en estado l%quido y sólido. !ara que ocur oc urra ra so solu lu#i #ili lida dad d co comp mple leta ta en es esta tado do só sóli lido do,, am am#o #oss elem elemen ento toss aleantes de#en tener la misma estructura cristalina, radios atómicos y electronegatiidades casi iguales y alencias similares. Oste es el caso del sistema o#reK%quel que se muestra en la Figura 8.

/ 3er Informe


Figura 4. Parte del diagrama de fases del sistema Cu-Ni ampliado en el punto B.

En el diagrama aparecen tres regiones o campos de fases. 6n campo alfa 'P(, un campo l%quido '*( y un campo #if)sico 'P Q *(. ada región est) st) den denid ida a por por la fase fase o fase fasess existe istent nte es en el int inter eralo alo de temperaturas y composiciones acotadas por los l%mites de fases. El l%quido * es una disolución l%quida homogénea compuesta de co#re y n%quel. *a fase P es una disolución sólida sustitucional que consiste de )tom )tomos os de u y Ki, Ki, de estru struct ctur ura a c#i c#icca de cara aras cent entrada rada.. temp temper eratu atura rass infe inferi rior ores es a 1ADA 1ADAB B,, el u y el Ki so son n mutu mutuam amen ente te solu#les en estado sólido para todas las composiciones, ra$ón por la cual el sistema se denomina isomorfo. El calentamiento del co#re puro corresponde al despla$amiento ertical hacia arri#a en el e&e i$quierdo de temperaturas. El co#re permanecer) solido hasta que alcance su temperatura de fusión '1AD=B(, en donde ocurrir) la transformación de sólido a l%quido. *a temperatura no se incrementar) hasta tanto no termine la fusión completa de todo el sólido. En una composición diferente a la de los componentes puros, la fusión ocurr ocurrir) ir) en un inter interalo alo de temper temperatu aturas ras entre entre liquid liquidus us y sol solidu idus. s. 3A 3er Informe


-m#as fases 'sólido y l%quido( estar)n en equili#rio dentro de este interalo de temperaturas.

Inte-p-et#c!$n +e "os +!#-#&#s +e 0#ses No&enc"#t'-# *etras griegas minsculas 'P, R, S, etc.(+ cada una de ellas representa representa una solución sólida. *iquidus+ *%nea que separa los campos de fases * y '*QP1(. !or encima de la l%nea liquidus, se tiene fase l%quida a todas temperaturas y composiciones. olidus+ *%nea que separa los campos de fases P1 y '*QP(. !or de#a&o de la l%nea solidus, se tiene fase sólida 'P( a todas temperaturas y composiciones. •

•

•

Des#--o""o +e &!c-oest-'ct'-#s en #"e#c!ones !so&o-0#s e de#e destacar que los diagramas de fases permiten identicar cu)les son las fases que estar)n presentes en equilibrio. Esto signica que los cam#ios de temperatura, ya sea durante el enfriamiento o durante el calentamiento, de#en ser lo sucientemente lentas como para lograr que se alcancen a redistri#uir los elementos aleantes 'por difusión(, segn el diagrama de fases. "ado "ado que que no siem siempr pre e se alca alcan$ n$an an las las co cond ndic icio ione ness de equi equili li#r #rio io,, a continuación se explicar) el proceso de formación de las microestructuras, ya sea mediante un enfriamiento en equili#rio como en uno de no equili#rio. En0-!#&!ento en e/'!"!,-!o e considera el sistema 3=HTt u  @=HTt Ki de la Figura = a medida que se enfr%a desde 13AAB. - 13AAB 'punto a(, la aleación es 1AAH l%quido. *a composición del l%quido es 3=HTt u  @=HTt. - medida que se inicia el enfriamiento, no ocurrir)n cam#ios en la microestructura o en la composición hasta tanto no se alcance la l%nea liquidus 'punto #, a 1/@AB(.

31 3er Informe


F!'-# 8.

Sistema Cu-Ni y su representación en la evolución de microestructuras durante la solidicación solidicación en equilibrio.

6na e$ que se alcan$a el punto # '1/@AB(, comien$a a formarse los primeros cristales de sólido P. *a microestructura se muestra en la Figura =. onsiste de una matri$ de l%quido * con cristales incipientes de sóli só lido do P. *a co comp mpos osic ició ión n del del só sóli lido do P se dete determ rmin ina a a part partir ir de la isoterma que pasa por el punto #, es decir 8@HTt Ki 'en la Figura = se muestra como :!"4# Ni$;(. *a composición del l%quido toda%a es 3=HTt Ki, que lógicamente difiere a la del sólido P. - medida que contina el enfriamiento, cam am# #iar) ar)n tanto las comp co mpos osic icio ione ness co como mo las las ca cant ntid idad ades es relat elati ias as de ca cada da fase fase.. *a composición del l%quido * seguir) la l%nea liquidus y la composición del sólido P seguir) la l%nea solidus. -dem)s, la fracción en peso de sólido P aumentar) a medida que progresa el enfriamiento. !ara que todo esto ocurra, es necesario una redistri#ución de am#os elementos aleantes 'u 'u y Ki( Ki( en ca cada da una una de las las fase fases, s, se seg gn n las las co comp mpos osic icio ione ness de equili#rio. "e#e destacarse que la composición glo#al de la aleación permanece sin cam#io durante el enfriamiento 3=HTt u  @=HTt Ki(, 3/ 3er Informe


aun cuando el co#re y el n%quel se redistri#uyan en cada una de las fases. - 1/=AB 'punto c(, la composición de la fase l%quida es 3/HTtKi @DHTtu. *a composición del sólido P es 83HTtKi=CHTtu. En cuanto a las cantidades relatias de cada fase, la regla de la palanca inersa indica que las fracciones en peso para el l%quido y el sólido P son A.C3 y A./C, respectiamente. Esto signica que si hipotéticamente se pudiese extr extrae aerr ca cada da uno uno de los los cris crista tale less de só sóli lido do P que que se form formar aron on en equili#rio y a esta temperatura, y se los pesaran, se encontrar) que se tiene un /CH en peso de sólido respecto del peso total de la aleación original. Es decir, si se partió de 1>g de aleación 'me$clando 3=Ag de Ki con @=Ag de u(, entonces el sólido P a 1/=AB pesar) /CAg 'de los cuales /CAg x A.83 U [email protected] son de Ki(. En el punto d 'a 1//AB(, el proceso de solidicación pr)cticamente ha terminado, excepto por los ltimos estigios de l%quido que est) por soli so lidi difi fica car. r. *a co comp mpos osic ició ión n del del sól sólid ido o P es la de la alea aleaci ción ón glo# glo#al al '3=HTtKi(. *a composición del ltimo l%quido en solidicar es /8HTtKi. -l cru$ cru$ar ar la l%ne %nea soli olidus, dus, so soli lidi di ca todo todo el l%qui quido rem eman anen entte, o#teniendo finalmente una solución sólida policristalina de fase P que tiene una composición uniforme de 3=HTtKi@=HTtu 'punto e(. 6n enfr enfria iam mient iento o post poster erio iorr a tem tempera peratu tura ra am am#i #ie ente nte no afec afecttar) ar) la micro microest estruc ructur tura a ni la composi composici ción. ón. *a micro microest estruc ructur tura a resul resultant tante e se muestra en la Figura @.

F!'-# 9. %leación C&'()) "Cu* +), Ni* ', Sn$. nidad de escala escala '(/icrones

En0-!#&!ento en con+!c!ones +e no e/'!"!,-!o 33 3er Informe


*as condiciones de solidicación y el desarrollo de microestructuras de equili#rio se alcan$an sólo a elocidades de enfriamiento muy lentas. *a ra$ón de esto es que con los cam#ios de temperatura de#e ha#er rea&ustes en las composiciones de las fases sólidas y l%quidas, segn rige el diagrama de fases 'es decir, con la l%nea liquidus y solidus(. Estos rea&ustes se logran mediante procesos de difusión en las fases sólida, l%quida y en la interfase. "ado que la difusión es un proceso que depe depend nde e del del tiem iempo, po, para para co cons nse erar rar el equil quili# i#ri rio o dura duran nte el enfriamiento de#e existir el suciente tiempo a cada temperatura para poder lograr los rea&ustes necesarios en la composición qu%mica de cada fase. *as elocidades de difusión son especialmente #a&as en la fase sólida y en am#as fases disminuye al #a&ar la temperatura. En todas todas las situac situacion iones es pr)ctic pr)cticas as de sol solidi idica cació ción, n, las eloc elocida idades des de enfriamiento son demasiado r)pidas para permitir estos rea&ustes de com co mposi posicción, ión, as as%% co com mo la conse onser rac ació ión n del del equi equili li#r #riio. omo omo consecuencia, se generan otras microestructuras que dieren de la sección anterior. e considera el sistema 3=HTt u  @=HTt Ki de la Figura C a medida que se enfr%a desde 13AAB a una elocidad lo sucientemente r)pido como para no lograr condiciones de equili#rio en el sólido 'aunque si en el l%quido, por ser mayor la elocidad de difusión(. - 13AAB 'punto aV(, la aleación es 1AAH l%quido. *a composición del l%quido es 3=HTt u  @=HTt. - medida que se inicia el enfriamiento, no ocurrir)n cam#ios en la microestructura o en la composición hasta tanto no se alcance la l%nea liquidus 'punto #V, a 1/@AB(. En el punto #V 'a 1/@AB( se forman los primeros cristales de fase P con una composición 8@HTtKi@8HTtu. 8@HTtKi@8HTtu. -l alca alcan$ n$ar ar el punt punto o cV 'a 1/8A 1/8AB B(, (, la co comp mpos osic ició ión n del del l%qui l%quido do es /HTtKi. - esta temperatura, la composición de la fase P que aca#a de solidificar es 8AHTtKi. in em#argo, dado que la difusión del sólido P es relatiamente lento, la composición del sólido P que se formó en #V no se ha modicado. do. Esto sig signica que en esta instan stanccia, la microestructura consiste de cristales de sólido P con 8@HTtKi en su ncleo y 8AHTtKi en la periferia del cristal. "icho de otra forma, el porcenta&e de Ki en los cristales de sólido P ar%a radialmente de 8@HTt en el ncleo hasta 8AHTt en la periferia. omo resultado, se considera que la composición real del sólido P en el punto cV ser) un promedio ponderado, siendo el porcenta&e de Ki menor 38 3er Informe


que 8@HTt 'el primer cristal en solidicar( pero mayor que 8AHTt. ien ientr tras as me meno norr se sea a la elo eloci cida dad d de enfr enfria iami mien ento to,, el prom promed edio io ponderado ser) m)s cercano a 8AHTtKi 'aproximación a la condición de equili#rio( y iceersa. "igamos, por e&emplo, que la elocidad de enfriamiento fue tal que el promedio ponderado resulta ser 8/HTtKi segn se muestra en la Figura Figura C. i ahora se aplica la regla de la palanca 'teniendo en cuenta que la composición del sólido P es 8/HTtKi segn promedio ponderado(, se tendr) mayor proporción de l%quido que lo indicado por las condiciones de equili#rio. 6na e$ m)s, esto se de#e a que la l%nea solidus ha sido irtualmente despla$ada a hacia la derecha por ser una solidicación de no equili#rio, representada por la l%nea de tra$os en la Figura C. En el punto dV 'a 1//AB(, la solidicación de#er%a estar completa segn el diagrama de equili#rio. in em#argo no es as%. En la situación fuera de equili#rio, toda%a existe una proporción importante de l%quido rem remanen anentte/. e/. *a fase fase P que que se est) st) form forman ando do a 1//AB /AB tien tiene e composición 3=HTtKi 'en la periferia( en contraste con los 8@HTtKi que existen en los centros de cada uno de los cristales P. Kueamente y para para los los nes nes did) did)ct ctic icos os,, se as asum ume e un prom promed edio io pond ponder erado ado de, de, digamos, 3DHTtKi para la fase P. *a solidicación fuera de equili#rio se completa nalmente en el punto eV 'a 1/A=B(. *a composición de la ltima fase P en solidificar es 31HTtKi. 31HTtKi. *a composició composición n promedio promedio de todo el sólido sólido P es 3=HTtKi, 3=HTtKi, la cual es igual a la composición glo#al de la aleación. En el punto fV de la Figura C se muestra cómo quedar%a la microestructura resultante del material totalmente sólido.

3= 3er Informe


F!'-# :. Sistema Cu-Ni y su representación en la evolución de microestructuras durante la solidicación fuera del equilibrio.

El grado grado de desp despla la$a $ami mien ento to de la cur cura a so soli lidu duss fuer fuera a de equi equili li#ri #rio o res espe pect cto o a la cur ura en equi equilli#ri #rio depe depend nde e de la el eloc ocid idad ad de enfr enfria iami mien ento to.. - menor enor elo eloci cida dad d de enfr enfria iami mien ento to,, me meno norr es este te despla$amiento y iceersa. El fenómeno por el cual la composición qu%mica no es uniforme en el sóli só lido do,, se seg gn n se ac aca# a#a a de desc descri ri#i #ir, r, se co cono noce ce co como mo segrega3i,-. "icho de otra forma, se entiende por segregación al fenómeno por el cual se esta#lecen gradientes de composición qu%mica a traés de los granos, generado por condiciones de no equili#rio. *a condición de no equili#rio se genera por una alta elocidad de enfriamiento. Este tipo de microestructura :en capas; con un ncleo central distinto del resto se conoce como estructura segregada y se muestra en la Figura D.

3@ 3er Informe


F!'-# ;. /icroestructura de una pie0a reci1n fundida de &), Cu-2), Ni mostrando una estructura con gradientes de concentraciones "segregación$.

6na 6na fund fundic ició ión, n, por por e&em e&empl plo, o, pued puede e tene tenerr es estr truc uctu tura rass se segr greg egad adas as.. uando esta fundición se uele a calentar, las regiones segregadas m)s cercanas a los l%mites de grano se fundir)n primero por ser m)s rico en el aleante de menor punto de fusión. Esto genera una pérdida repentina en la integridad mec)nica de la pie$a de#ido a la delgada pel%cula de l%quido que rodean los granos. *a segregación puede eliminarse mediante un tratamiento térmico de homo homoge gene nei$ i$ac ació ión n a una una temp temper erat atur ura a infe inferi rior or a la de sol solid idus us,, y por por supuesto, inferior a la temperatura de fusión de la fase que rodea los #ordes de grano. En este proceso ocurre la difusión de los )tomos aleantes, aleantes, redistri# redistri#uyén uyéndose, dose, alcan$ando alcan$ando la composició composición n de equili#rio equili#rio luego de un tiempo lo sucientemente largo.

CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE SISTEMAS ISOMORFOS *a Figura  muestra la cura de enfriamiento para una aleación u 8AHTtKi, a #a&as elocidades de enfriamiento 'condición de equili#rio en todo momento(. e o#sera que los sistemas isomorfos solidican en un interalo de temperaturas, a diferencia de los componentes puros que presentan una meseta hori$ontal.

3C 3er Informe


F!'-# . ura de enfriamiento de una aleación isomorfa. *os ca *os cam# m#io ioss de pend pendie ient nte e de la cur cura a de enfri enfriam amie ient nto o ma marc rcan an las las temperaturas liquidus y solidus, es decir, el comien$o y el n de la solidicación. El interalo de solidicación toma distintos alores de acuerdo a la concentración de los componentes de la aleación. -s%, por e&emplo, sien siendo do - y J los los co comp mpon onen ente tess de una una so solu luci ción ón só sóli lida da,, se pued puede e determinar toda una gama de curas de enfriamiento, segn se muestra en la Figura 1A.

F!'-# 1=. 3iferentes curvas de enfriamiento de una aleación isomorfa* para diferentes contenidos de aleante.

i se representa esta serie de curas en un solo diagrama, indicando so#r so #re e las orde ordena nad das las las tempera peratu tura rass y so so#r #re e las a#sc a#sciisa sass las concentraciones de J en -, se o#tiene la Figura 11. -l unir todos los puntos de comien$o y todos los de n de la solidicación, se o#tiene el diag diagram rama a de trans transfo form rmac ació ión n de la alea aleaci ción ón,, que que en es este te ca caso so es est) t) constituido por dos curas+ la superior o liquidus, por arri#a de la cual 3D 3er Informe


toda la aleación se encuentra en estado l%quido, y la inferior o solidus, por de#a&o de la cual toda la aleación est) en estado sólido. Entre am#as curas coexisten am#as fases 'sólido y l%quido( en equili#rio.

F!'-# 11. Principio bsico para la construcción de un diagrama de fases isomorfo a partir de curvas de enfriamiento.

Sis0emas Eu0930i3os 8i-arios En la Figura 1/ se muestra un diagrama eutéctico #inario, parcialmente solu#les en estado sólido. En el diagrama se identican tres regiones monof)sicas+ P, R y l%quido. El sólido P es una solución sólida rica en co#re, tiene plata como soluto y la estructura cristalina es c#ica de caras centrada. El sólido R es una solución sólida rica en plata, tiene co#re como soluto y la estructura cristalina tam#ién es c#ica de caras centrada. ada uno de los sólidos P y R tienen solu#ilidad limitada, ya que para una temperatura inferior a la l%nea JE5, sólo se disoler) en el co#re una cantidad limitada de plata 'para formar la fase P( y iceersa. *a l%nea J, conocida como so"('s, separa las regiones de fases P y 'P Q R( y repr repres esen enta ta el l%mi l%mite te de so solu lu#i #ili lida dad d de plat plata a 'sol 'soluto uto(( en co co#re #re 'solente(. *a solu#ilidad m)xima de plata en co#re se alcan$a en el punto J 'a CCB, DHTt-g(. -n)logamente, la l%nea 5W tam#ién se cono co noce ce co como mo so sol lus us y repr repres esen enta ta el l%mi l%mite te de so solu lu#i #ili lidad dad de co co#r #re e 'soluto( en plata 'solente(. *a solu#ilidad m)xima de co#re en plata se alcan alcan$a $a en el punt punto o 5 'a CCB CCB, , 1./ 1./HT HTtt-g( g(.. *a *ass so solu lu#i #ili lidad dades es de am#as fases sólidas disminuyen para temperaturas mayores o menores a CCB. Esta temperatura se denota como 0E y corresponde a la temperatura del eutéctico 'se explicar) m)s adelante(.

3 3er Informe


*a l%nea JE5 es paralela al e&e de composiciones y se extiende entre los l%mites m)ximos de solu#ilidad de cada fase sólida. Lunto con las l%neas -J y F5, representan la l%nea so"!+'s y corresponde a la temperatura m)s #a&a a la cual puede existir fase l%quida para cualquier composición de u y -g en

equili#rio.

F!'-# 12. 3iagrama de fases Cobre-Plata. En el sistema u-g existen tres regiones #if)sicas+ 'P Q l%quido(, 'R Q l%quido( y 'P Q R(. *as composiciones y cantidades relatias de cada fase pueden determinarse segn isotermas y regla de la palanca inersa, segn se descri#ió en la sección 3.1.1. 8A 3er Informe


-l agregar plata al co#re, la temperatura a la cual las aleaciones se hacen totalmente l%quida disminuye a lo largo de la l%nea "!/'!+'s 'l%nea -E(. "e este modo, la temperatura de fusión del co#re disminuye a medida que se le agrega plata. *o mismo ocurre con la plata cuando se le agrega co#re so#re la l%nea FE. Estas l%neas liquidus se unen en el punto E del diagrama de fases, a traés de la cual tam#ién pasa la isoterma JE5 'tam#ién conocida como isoterma eutéctica(. El punto E se denomina punto inariante, el cual est) desig signado por la composición eutéctica E y la temperatura eutéctica 0E. 6na aleación de este tipo 'eutéctica #inaria( de composición E tiene una reacción importante cuando cam#ia su temperatura al pasar por po r 0E. -e#cc!$n e'tKct!c# e'tKct!c#, puede escri#irse Esta Esta reacc reacción ión,, conoci conocida da como como -e#cc!$n como+

En es estta reac acci ció ón, E es la co com mposi posicción ión del del euté eutécctico tico,, 0E es la temperatura del eutéctico, PE es la composición de la fase P a 0E, RE es la composición de la fase R a 0E. !ara el sistema u-g, se tiene+ EUC1.HTt-g, PEUDHTt-g, REU1./HTt-g y 0EUCCB. "icho de otra forma, la reacción eutéctica es aquella transformación de fases en la cual un l%quido solidica en dos fases diferentes 'y iceersa en el calentamiento(, de forma tal que existir)n tres fases en equili#rio 'los dos sólidos m)s el l%quido(. "e#ido a esta reacción eutéctica, los diag diagra rama mass de fase fasess simi simila larres a la de la Figur igura a 1/ se deno denomi mina nan n diagramas de fases eutécticos. *os componentes que muestran este comportamiento, constituyen un sistema eutéctico.

Des#--o""o +e &!c-oest-'ct'-#s en #"e#c!ones e'tKct!c#s "epe "ependi ndien endo do de la co comp mpos osic ició ión, n, los los sist sistem emas as euté eutéct ctic icos os #ina #inari rios os pueden pueden tener tener difer diferent entes es micr microes oestru tructu cturas ras luego luego de un enfria enfriamie miento nto lento. - continuación se emplear) el diagrama de fases !#n de la para explicar el desarrollo de cada tipo de microestructuras, en aleaciones de composición 1, /, 3 y 8.

81 3er Informe


F!'-#

13. 3iagrama de fases Pb-Sn.

C#so 1. A"e#c!$n con co&pos!c!$n C1 Este e&emplo representa a cualquier composición que ar%a entre un componente puro y la solu#ilidad sólida m)xima para ese componente a temperatura am#iente. !ara el sistema !#n, esto incluye aleaciones ricas en plomo que contienen entre A y /HTt n 'rango de fase P a temp temper erat atur ura a am am#i #ien ente te(( y tam#i tam#ién én alea aleaci cion ones es rica ricass en es esta ta2o 2o que que contienen entre HTt n y esta sta2o puro 'rango de fas ase e R a temperatura am#iente(. omo e&emplo, se considera la aleación de composición 1 de la Figura 18 a medida que se enfr%a lentamente desde la fase l%quida. Esto implica despla$arse hacia a#a&o so#re la l%nea TTV. En el punto a, la aleación permanece totalmente l%quida y con una comp co mposi osici ción ón 1 hast hasta a que que cru$ cru$a a la l%ne l%nea a liqu liquid idus us a la temp temper erat atur ura a corr co rres espo pondi ndien ente te.. En es esta ta temp temper erat atur ura, a, co comi mien en$a $an n a form formar arse se los los primeros cristales de sólido P, ya que la aleación entra en la región #if)sica 'P Q *(. En esta región, el enfriamiento es similar al explicado en la sección 3.1./. - medida que contina el enfriamiento y dentro de esta región #if)sica, crece la cantidad relatia del sólido P segn la regla de la palanca inersa. *as composición del sólido P sigue la l%nea solidus y la del l%quido, la l%nea liquidus, en cada caso a la temperatura correspondiente. *a solidicación culmina en el momento en que la temperatura de la aleación alcan$a la l%nea solidus, momento a partir 8/ 3er Informe


del del cual cual se tend tendr) r) 1AAH 1AAH de só sóli lido do P. *a alea aleaci ción ón resu result ltan ante te es policristalina con una composición uniforme 1. Ko ocurrir)n cam#ios posteriores hasta alcan$ar la temperatura am#iente, de#ido a que no se cru$ cru$a a ning ningun una a l%ne l%nea a del del diag diagra rama ma de fase fases. s. *a micr microe oest stru ruct ctur ura a resultante se muestra en la Figura 18.

F!'-# 15. 5epresentación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C+

C#so 2. A"e#c!$n con co&pos!c!$n C2 Este e&emplo representa a cualquier composición que ar%a entre el l%mite de solu#ilidad a temperatura am#iente y la solu#ilidad sólida m)xi m) xima ma a la temp temper erat atur ura a euté eutéct ctic ica. a. !ara el sist sistem ema a !# !#n, n, en el extremo rico en plomo, incluye aleaciones que contienen entre /HTt n 'solu#ilidad m)xima a temperatura am#iente( y 1D.3HTt n 'solu#ilidad m)xima a la temperatura eutéctica(. El mismo rango se puede deducir para el extremo rico en esta2o. omo e&emplo, se considera la aleación de composición / de la Figura 1= a medida que se enfr%a lentamente desde la fase l%quida. Esto implica despla$arse hacia a#a&o so#re la l%nea xxV. *a solidicación de esta aleación entre los puntos d y f es similar a lo ya explicado en el caso 1. 83 3er Informe


En el punto d, la aleación consiste de 1AAH l%quido de composición /. - medida que la temperatura disminuye, no ocurren cam#ios hasta alcan$ar el punto dV, momento en el cual comien$an a aparecer los primeros cristales de sólido P cuya composición queda determinada por la l%nea solidus a esa temperatura 'punto a(. *a composición del l%quido en el punto dV sigue siendo /. i continua el enfriamiento en la región #if)sica 'P Q *(, y a medida que se desciende por la recta dVeV, los cristales de sólido P an aumentando en cantidad relatia 'segn la regla de la palanca inersa(. En cualquier temperatura intermedia entre dVeV, la composición del sólido y del l%quido queda determinado por las l%neas solidus y liquidus, respectiamente. !or e&emplo, en el punto e, la composición del solido P corresponde a la del punto # y la composición del l%quido corresponde a la del punto c. *a regla de la palanca inersa indica que la fracción en peso del sólido P 'cantidad relatia( queda determinado por el cociente de la longitud del segmento ec so#re la longitud del segmento #c. -n)logamente, la fracción en peso del l%quido queda determinado por el cociente de la longitud del segmento #e so#re la longitud del segmento #c. *a solidicación nali$a a la temperatura del punto eV, dado que la regla de la palanca inersa indica que en ese punto se tiene 1AAH de sólido P. *a composición del sólido P ser) /. i el enfriamiento contina, no ocurri ocurrir)n r)n cam#io cam#ioss microe microestr struct uctural urales es hasta hasta alcan$ alcan$ar ar el punto punto fV. *a microestr microestructur uctura a a una temperatura temperatura intermedia intermedia 'punto f( se muestra muestra en la Figura 1=. uando temperatura de la aleación desciende hasta alcan$ar la l%nea solus 'punto f(, entonces se ha alcan$ado el l%mite de solu#ilidad del sólido P. omo consecuencia, el diagrama de fases indica que, al cru$ar la l%ne l%nea a so sol lus us,, se produ produce cen n pequ peque2 e2as as part part%c %cul ulas as de so soli lido do R 'er 'er esquema del punto g de la Figura 1=(. -l continuar el enfriamiento a temperaturas inferiores a las de fV, la regla de la palanca inersa indica que que la canti antida dad d rel relati atia a de só sóllido ido R aum aument enta. En el punt punto o g, la composición del sólido P corresponder) a la de la l%nea solus del plomo 'punto g(. *a composición del sólido R corresponder) a la de la l%nea solidus del esta2o 'en el otro extremo del diagrama, no mostrado en la Figura 1=(. Finalmente, a temperatura am#iente, la microestructura consistir) de una matri$ de sólido P con part%culas de sólido R en su interior. *as composiciones y cantidades relatias se calculan de la misma forma ya explicada. 88 3er Informe


F!'-# 18. 5epresentación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C'.

C#so 3. A"e#c!$n con co&pos!c!$n C3 Este caso implica la solidicación de una aleación con composición eutéctica. !ara el sistema de la Figura 1@, esto corresponde a @1.HTt n. e considera entonces que esta aleación se enfr%a desde la fase l%quida 'punto h( siguiendo la l%nea ertical yyV. - medida que desciende la temperatu atura, no ocurren cam#ios has astta que se alcan$a la temperatura eutéctica '1D3B(. -l cru$ar la isoterma eutéctica 'punto i(, el l%qu l%quid ido o se tran transf sform orma a en las las fase fasess P y R me medi diant ante e la sigui siguien ente te ecuación 'reacción eutéctica(+

En esta reacción, el l%quido tendr) @1.HTt n y las composiciones de los los só sóli lido doss P y R qued quedan an defi defini nido doss por por los los punt puntos os extr extrem emos os de la isoterma eutéctica '1D.3HTt n para el sólido P y C.DHTt n para el sólido R(. *as tres fases 'l%quido, P y R( coexistir)n en equili#rio hasta nali$ar la solidicación.

8= 3er Informe


"urante la transformación eutéctica, es necesario que se genere una redistri#ución del plomo y del esta2o, desde la fase l%quida hacia los sólidos sólidos P y R. Esto se de#e a que las composiciones composiciones de cada una de las tres fases son diferentes. Esta redistri#ución se muestra a la i$quierda de la Figur igura a 1C. 1C. o omo mo co cons nsec ecue uenc ncia ia,, la micr microe oest stru ruct ctur ura a del del só sóli lido do es0ru30ura ra eu0930i3a eu0930i3a( co resu result ltan ante te 'den 'denom omin inad ada a es0ru30u cons nstta de l)mi l)mina nass alte altern rnada adass se sól sólid ido o P y só sóli lido do R, que que se form forman an simu simult lt)n )nea eame ment nte e durante la transformación. El proceso de redistri#ución del plomo y del esta2o ocurre por difusión en el l%quido, &ustamente en la interfase eutéctico9l%quido. *as
F!'-#

19.

5epresentación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C2.

8@ 3er Informe


F!'-# 1:. 60quierda Formación de la estructura eut1ctica para el sistema PbSn. 3erec7a /icrograf8a de una aleación Pb-Sn de composición eut1ctica.

C#so 5. A"e#c!$n con co&pos!c!$n C5 Este Este e&e e&empl mplo o repr represe esenta nta a cualqu cualquie ierr compos composici ición ón que ar%a ar%a entre entre el l%mite l%mite de sol solu#i u#ilid lidad ad sól sólida ida m)xima m)xima a la temper temperatu atura ra eutéct eutéctica ica y la composición eutéctica. e considera la composición 8 de la Figura 1D que que se encue ncuent ntra ra a la i$qu i$quiierda erda del del eut eutéc écti tico co.. -l dism dismiinui nuir la temperatura, se desciende por la l%nea $$V, comen$ando en el punto &. El desarrollo de las microestructuras entre los puntos & y l es similar al del caso /, de forma tal que antes de cru$ar la isoterma eutéctica 'punto l( est)n presentes sólido P y l%quido con composiciones 1D.3HTt n y @1.HT @1.HTtt n, respe respecti ctiam ament ente. e. Estas Estas compos composici icione oness se deter determin minan an a partir de la isoterma correspondiente al punto l, y sus intersecciones con las l%neas solidus y liquidus. - medida que la temperatura desciende &usto por a#a&o de la eutéctica, la fase l%quida, que tiene la composición eutéctica, se transformar) a la estructura eutéctica 'es decir, l)minas alternadas de P y R(. *a fase P que se formó durante el enfriamiento a traés de la región 'P Q *( tendr) cam#ios microestructurales insignificantes. !ara diferenciar, el sólido P que se formó durante el enfriamiento a traés de campo de fases 'P Q *( se denomina P /rimaria y la que que se enc encuent uentra ra en la es estr truc uctu tura ra eutéctica se denomina P eu0930i3a. En aleaciones que tengan composición a la derecha del eutéctico, se o#tien o#tienen en transf transform ormaci acione oness y microe microestr struct ucturas uras an)log an)logas as a la recié recién n descri descripta pta.. in em em#ar #argo, go, por de#a&o de#a&o de la temper temperatu atura ra eutéct eutéctica ica,, la microestructura consistir) de sólido R primaria y eutéctico, ya que un enfriamiento a partir del l%quido cru$a el campo de fases 'R Q l%quido(. 8C 3er Informe


F!'-# 1;. 5epresentación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C4.

F!'-# 1.

/icrograf8a de una aleación (),9t Pb-(),9t Sn mostrando granos de sólido ! primaria "regiones oscuras grandes$ inmersas en una estructura estru ctura eut1ctica laminar. laminar.

8D 3er Informe


CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE SISTEMAS EUTCTICOS *a Figura /A muestra las curas de enfriamiento para un metal puro y 8 composiciones de aleante que coinciden 'esquem)ticamente( con los cuatro casos de solidicación explicados en la sección 3./.1. *a cura de enfriamiento de - puro '1AAH-( de la Figura /A es similar a lo explicado en la sección /.1. *a cura de enfriamiento de 1AHJ 'cura 1( es similar a lo explicado en la sección 3.1.3. *a cura / de la Figura /A presenta un quie#re adicional, correspondiente a la temperatura solus. 6na e$ que se supera el l%mite de solu#ilidad m)xima de J en -, la solidicación implicar) un cierto porcenta&e de reacción eutéctica. Esto se maniesta a partir de la meseta de la cura 3, correspondiente a la transformación eutéctica. - medida que el contenido de J se aproxima a la composición euté eutéct ctic ica, a, ma mayo yorr la long longit itud ud de la me mese seta ta,, lo cual cual sign signi ica ca ma mayo yorr fracción de eutéctico. Finalmente, Finalmente, la cura 8 muestra que la solidicación de la compo omposi sici ción ón eutéc utécti tica ca ocur curre a tem tempera peratu tura ra co cons nsttante ante,, comport)ndose la aleación como un metal puto. Esto se de#e a que la solidicación de una aleación eutéctica implica que tres fases de#en coexistir en equili#rio, lo cual resulta en un punto inariante 'es decir, cero grados de li#ertad segn la regla de las fases(.

F!'-# 2=. 3iferentes curvas de enfriamiento para un sistema eut1ctico . 8 3er Informe


:. CON CONC) C)USI USION ONES ES •

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•

•

e o#sera una diferencia entre el punto eutéctico experimental con el teórico, se de#e a que los metales empleados tienen impure$as, y por descuido del operador que no toma los datos en su de#ido tiempo. El diagrama de fases muestra los estados esta#les, es decir los estados que en unas condiciones dadas poseen el m%nimo de energ%a li#re. "e acue ac uerd rdo o a es esto to los los ca cam# m#io ioss de es esta tado do re
;. REC RECOME OMENDA NDACIO CIONE NES S •

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Introducir el termómetro dentro del crisol de modo que solo la punta met)lica del termómetro termómetro pueda chocar con la aleación fundida. Encender el horno hasta que la aleación este por lo menos 3AB por encima de su punto de fusión, agitando el #a2o con la #agueta. Ko introducir el termómetro en la aleación si esta est) a m)s de 8/AB pues pues el ter termóm mómetr etro o podr%a podr%a estall estallar ar.. !or !or lo cual cual es es recom recomend enda#l a#le e =A 3er Informe


esperar esperar un momento momento hasta que la aleació aleación n se enfr%e enfr%e hasta por de#a&o de#a&o de dicha temperatura. •

•

alentar la lingotera antes de erter la aleación !#n pues estas se encontrar) a alta temperatura. 0omar 0omar el crisol con la pin$a con mucho cuidado y manteniéndolo manteniéndolo a cierta dist distan anci cia a del del rost rostro ro ya que que podr podr%a %a es esta tall llar ar de#i de#ido do al ca cam# m#io io de temperatura y podr%a da2ar la ista.

11. BIB)IORAFA BIB)IORAFA X X X X

FII FII4 4Y Y6I 6III-, Ira Ira K. *eine ine,, c c 5aT 5aTWil Will '1 '1@( @( IK0M IK0M4" 4"6 6I I4K 4K - **- E0 E0-* -*6M 6M5I 5I- F%s F%sic ica, a, ydn ydney ey W. -n -ner er 0WE E*EEK0 4F !WZI-* WEI0MZ, !.[. ->ins, 4xford 6niersity !ress '1=( 4"E 4"EM4 M4 !WZ !WZI I-* W WE EI0 I0M MZ, 5.F 5.F. *ipt iptrot, ot, L.L L.L. 0ho 0hompso mpson, n, 5.M 5.M. [al>er. Je? and Wyman *imited, *ondon '1D/(

=1 3er Informe

3er Informe - Diagrama de Fases

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