Diagrama de Fases Eutécticas
Diagramas de fases que contienen reacciones entre tres fases
Muchos sistemas binarios producen diagramass de fases más complicados que los diagrama diagramass de fases isomorfas. diagrama Las reacciones eutécticas son parte del proceso de solidificación. Las aleaciones que se usan para vaciar o soldar aprovechan con frecuencia el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica.
Las reacciones eutectoides e utectoides son totalmente reacciones en estado sólido; este tipo de reacciones forman la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones que incluyen al acero. Estas Est as reacciones en tres fases suceden a temperatura tempera tura y composición fijas. La regla de las fases fases de Gibbs Gibbs par paraa una reacción reacción entre entre tres fases es, a presión constante:
Ya
que hay dos componentes C en un diagrama binario de fases, y en la reacción intervienen tres fases P. Cuando las tres fases están en equilibrio durante la reacción, no hay grados de libertad. En consecuencia, esas reacciones se llaman inv invariantes. ariantes. La temperatura y la composición de cada fase que interviene en la reacción entre tres fases son fijas.
El diagrama de fases eutécticas
El sistema plomoestaño (Pb-Sn) contiene sólo una reacción eutéctica simple. Este sistema de aleación es la base de la mayoría de las aleaciones comunes que se usan para soldar estaño.
Examinaremos cuatro clases de aleaciones en este sistema: 1. Aleaciones de solución sólida: Las aleaciones que contienen de 0 a 2% de Sn se comportan exactamente igual que las aleaciones cobreníquel; se forma una solución sólida, de una fase , durante la solidificación. Estas aleaciones se endurecen mediante endurecimiento por solución sólida, a través de endurecimiento por deformación y controlando el proceso de solidificación para refinar la estructura de grano.
2.
Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad: Las aleaciones que
contienen entre 2 y 19% de Sn también solidifican y producen una solución sólida . Sin embargo, al continuar enfriándose la aleación, se lleva a cabo una reacción en estado sólido, que permite que una segunda fase sólida () precipite de la fase original.
En este diagrama de fases, la es una solución sólida de estaño en plomo. Sin embargo, la solubilidad del estaño en el sólido es limitada. A 0°C sólo se puede disolver 2% de Sn en . Al aumentar la temperatura, se disuelve más estaño en el plomo hasta que, a 183°C, aumenta esa solubilidad a 19% de Sn. Ésta es la solubilidad máxima del estaño en el plomo. La solubilidad del estaño en el plomo sólido en cualquier temperatura se indica en la curva solvus. Toda aleación que contiene entre 2 y 19% de Sn se enfría y pasa por solvus, se rebasa el límite de solubilidad y se forma una pequeña cantidad de .
Las propiedades de esta clase de aleaciones se controlan con varias técnicas, que incluyen el endurecimiento de la porción de la estructura por solución sólida, controlando la microestructura producida durante la solidificación y controlando la cantidad y características de la fase . Estas clases de composiciones, que forman una sola fase sólida a altas temperaturas y dos fases sólidas a menores temperaturas, son adecuadas para endurecerlas por envejecimiento o precipitación.
3.
Aleaciones Eutécticas: Las aleaciones que
contienen 61.9 % de Sn tiene la composición eutéctica. El término eutéctico proviene del griego eutectos, que significa fácilmente fusible.
Es un sistema binario que tiene una reacción eutéctica, una aleación con la composición eutéctica tiene la temperatura mínima de fusión. La composición para la cual no hay intervalo de solidificación; la solidificación de esta aleación sucede a una temperatura, que en el sistema Pb-Sn es 183°C. Arriba de 183°C, la aleación es totalmente líquida y, en consecuencia, de contener 61.9% de Sn.
Cuando el líquido se enfría a 183°C, comienza la reacción eutéctica: L61.9%Sn p E19%Sn + F97.5%Sn Se forman dos soluciones sólidas, y durante la reacción eutéctica. Las composiciones de ambas soluciones se dan en los extremos de la línea eutéctica.
Durante
la solidificación, el crecimiento del sólido eutéctico necesita tanto de la eliminación del calor latente de fusión como la redistribución, por difusión, en las dos distintas especies atómicas. Como la solidificación sucede por completo a 183°C, la curva de enfriamiento (Fig. 10-13) se parece a la de un metal puro; esto es, se presenta una meseta térmica a la temperatura eutéctica. Las composiciones eutécticas pasan de líquido a sólido a temperatura constante, es decir, la temperatura eutéctica.
Cuando los átomos se redistribuyen durante la solidificación eutéctica, se desarrolla una microestructura característica. En el sistema plomo-estaño, las fases sólidas y crecen en el líquido en un arreglo lamelar, es decir en forma de laminillas (Fig. 10-14). La estructura lamelar permite que los átomos de plomo y estaño se muevan por el líquido, donde la difusión es rápida, sin tener que recorrer una distancia apreciable. Esta estructura lamelar es característica de los sistemas eutécticos.
El producto de la reacción eutéctica tiene un arreglo característico de las dos fases, llamado microconstituyente eutéctico. En la aleación Pb-61.9% Sn, se forma el 100% del microconstituyente eutéctico, porque todo el líquido participa en la reacción.
Ejemplo 10.4
Una
muestra de aleacion de 200gr de la aleación contendriaa un total de 200gr x (0.6190) = 123.8gr Sn y los 76.2gr restantes de plomo. La masa total de plomo y estaño no pueden cambiar, por la ley de conservacion de la masa; lo que cambia es la masa de plomo y el estaño en las distintas fases. B) a una temperatura justo debajo de la eutectica. ±
±
±
La masa de la fase alfa en 200gr de la aleacion =masa de la aleacionxfraccion de la fase alfa =200gr x .4535 =90.7gr La cantindad de la fase beta en 200gr de la aleacion =(masa de aleacion masa de la fase alfa) =200gr 90.7gr =109.3gr
C) calculemos ahora las masas de plomo y estaño en las fases alfa y beta: Masa de Pb en la fase alfa = masa de la fase alfa en 200gr xconcentracion de Pb en alfa =90.7gr x (1 -0.190) = 73.467gr Masa de Sn en la fase alfa = (90.7gr -73.467) = 17.233
Sistemas
de aleaciones binarias eutecticas
El punto eutéctico es un punto invariante. La aleación de composición eutéctica es la que presenta el punto de solidificación más bajo de todo el sistema y por tanto la temperatura eutéctica es la temperatura más baja a la cual puede exigiir alguna porción de fase líquida. Si prosigue el enfriamiento a partir de este punto, todo el líquido que quede (que tendrá composición eutéctica) solidifica formando simultáneamente las dos posibles fases sólidas, E y F.
Tres regiones monofásicas ± ± ±
Dos ± ±
sólido E rico en Pb (fcc) sólido F rico en Sn (fcc) liquido de composición homogénea
regiones bifásicas de coexistencia S-L
fase E sólida y líquido fase F sólida y líquido
región de coexistencia de dos fases sólidas cada una de las regiones en el diagrama se caracteriza por una microestructura diferente, y por supuesto las aleaciones que encontramos en cada una de las regiones tendrá diferente composición.
El punto A esta en una región monofásica, donde solo hay fase líquida. El punto B corresponde al inicio de la solidificación, prácticamente todo el material esta liquido y tiene la composición señalada. Empiezan a aparecer núcleos sólidos, todavía de muy pequeño tamaño, y enriquecidos en Pb, ya que éste es elemento de temperatura de solidificación más alta. El punto C corresponde a una región de coexistencia de liquido y solidoE (230rC).
Trazando la recta de reparto correspondiente vemos que la fase liquida contiene un 48% de Sn y el sólido un 15%. Aplicando la regla de la palanca podemos conocer las proporciones en que estan presentes cada una de las fases:
Los puntos D y E corresponden a temperaturas ligeramente superior e inferior a la eutéctica. En el primer caso (punto D) (183rC +(T), tenemos las mismas fases que en el punto C pero con diferente composición y en diferentes proporciones. La fase líquida tiene un 61.9% Sn y constituye el 49% del material, el 51% restante esta en fase sólida E con un contenido en Sn del 19.2%. en el punto E (183rC +(T) tenemos dos fases sólidas, un 73% de fase E con un 19.2% de Sn y un 27% de fase F muy rica en Sn (97.5%).
4.
Aleaciones Hipoeutécticas e Hipereutécticas.
Reacciones
Eutectoides
Reacciones
Eutectoides
Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del estado sólido.
Reacciones
Eutectoides
La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutéticas y las eutectoides, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los metales.
Aceros Eutectoides (0.76%C) Cuando un acero de composición eutectoide (0.76%C) se calienta hasta la austenización (T>727ºC) y se deja enfriar lentamente hasta una temperatura inferior a la temperatura eutectoide (T<727ºC) se produce una microestructura denominada perlita que está formada por ferrita-alfa y cementita dispuestas en láminas paralelas a.- Austenita b.- Perlita (ferrita alfa eutectoide + cementita eutectoide)
Aceros Hipoeutectoides (<0.76%C) Cuando un acero de composición menor que la composición eutectoide (<0.76%C) se calienta hasta la austenización y se deja enfriar léntamente hasta una temperatura inferior a la temperatura eutéctoide (T<727ºC) se produce una microestructura compuesta por ferrita alfa proeutectoide (la que se formo antes de la reacción autectoide y por perlita que está formada por ferrita-alfa y cementita dispuestas en láminas paralelas c) Austenita d) Aparecen nódulos de ferrita alfa e) La cantidad de ferrita alfa aumenta f) Lo que quedaba de austenita se ha transformado en perlita
Aceros Hipoeutectoides (<0.76%C)
Aceros Hipereutectoides (>0.76%C) Cuando un acero de composición mayor que la composición eutectoide (<0.76%C) se calienta hasta la austenización y se deja enfriar lentamente hasta una temperatura inferior a la temperatura eutéctoide se produce una microestructura compuesta por cementita proeutectoide y perlita que está formada por ferrita-alfa y cementita dispuestas en láminas paralelas. g) Austenita h) Aparecen nódulos de cementita i) Lo que quedaba de austenita se ha transformado en perlita
Aceros Hipereutectoides (>0.76%C)
Diagrama de fases hierro- carburo de hierro y el desarrollo de microestructuras en los aceros
La región del diagrama de fase hierro-carburo de hierro se encuentra arriba de 2.11% de C, lo cual es importante para los aceros. Se pueden desarrollar diversas microestructuras, dependiendo del contenido de carbono, la cantidad de deformación plástica (trabajado) y el método de tratamiento térmico.
Diagrama de fases hierro- carburo de hierro y el desarrollo de microestructuras en los aceros
La razón de enfriamiento lento es mantener el equilibrio. A 727 0 C (1341 0 F) ocurre una reacción en la que la austenita se transforma en ferrita alfa (bcc) y cementita. Debido
a que la solubilidad sólida de carbono en ferrita es de sólo 0.022%, el carbón adicional forma cementita. A esta reacción se le llama reacción eutectoide (que significa similar a la eutéctica).
Diagrama de fases hierro- carburo de hierro y el desarrollo de microestructuras en los aceros
Este término significa que, a cierta temperatura, una fase sólida única (austenita) se transforma en otras dos fases sólidas (ferrita y cementita). A la estructura del acero eutectoide se le llama perlita, por que a una baja amplificación se parece a la madreperla.
Diagrama de fases hierro- carburo de hierro y el desarrollo de microestructuras en los aceros
En el hierro con menos de 0.77% de C, la microestructura formada consta de una fase de perlita (ferrita y cementita) y una fase de ferrita. A la ferrita en la perlita se le llama ferrita eutectoide, y a la fase de ferrita se le llama ferrita proeutectoide ( pro significa antes). Se forma a una temperatura superior a ala temperatura eutectoide de 727 0 C (13410 F) en la región alfa+gama.
Diagrama de fases hierro- carburo de hierro y el desarrollo de microestructuras en los aceros
Si el contenido de carbono es mayor que 0.77%, la ausentita se transforma en perlita y cementita. A la cementita en la perlita se le llama cementita eutectoide y a la fase de cementita se le llama cementita proeutectoide, pues se forma en la región alfa+Fe3C a un temperatura mayor que la temperatura eutectoide.
Control de la cantidad de eutectoide Al modificar la composición de la aleación, cambiaremos la cantidad de la segunda fase dura. Conforme crece el contenido de carbono existe en un acero hacia la composición eutectoide de 0.77%, las cantidades de Fe3C y de perlita aumenta, incrementando así la resistencia. Sin embargo, este efecto de endurecimiento finalmente llega a un máximo y las propiedades se estabilizan o incluso se reducen cuando el contenido de carbono es demasiado alto.
Control de la velocidad de enfriamiento Al incrementar la velocidad de enfriamiento durante la reacción eutectoide, reducimos la distancia a la cual los átomos pueden difundirse. En consecuencia, las laminillas producidas durante la reacción son más finas o están menos separadas unas de otras. Al producir una perlita fina, incrementamos la resistencia de la aleación.
Control de la temperatura de transformación La reacción eutectoide en estado sólido es más bien lenta, y el acero puede enfriarse por debajo de la temperatura eutectoide de equilibrio antes de que se inicie la transformación. Las temperaturas inferiores de transformación generan una estructura más fina y más resistente, influyen acerca del tiempo requerido para la transformación e incluso alteran la organización de las dos fases. Esta información se encuentra en el diagrama de tiempo-temperatura- transformación (TTT). Este diagrama, que también se conoce como diagrama de transformación isotérmica (IT), o bien curva en C, permite predecir la estructura, las propiedades y el tratamiento térmico requerido en los aceros.
Como resultado de la transformación se producen dos tipos de microconstituyentes. La perlita (P) se forma a temperaturas superiores a 550°C, y la vainita (B) se forma a temperaturas inferiores.
Los tiempos requeridos para que inicie la austenita y termine su tranformacion en vainita se incrementa y la vainita se torna más fina conforme continúa reduciéndose la temperatura de transformación. La vainita que se forma justo por debajo de la nariz de la cueva se conoce como vainita gruesa, vainita superior o vainita plumosa. La vainita que se forma a temperaturas inferiores se conoce como vainita fina, vainita inferior o vainita acicular.
