Diapositivas de materiales (1)

Diagrama de fases
INTRODUCCIÓN
Es muy importante comprender los
diagramas de fase ya que estos tienen que
ver con el diseño y el control de los
tratamientos térmicos además algunas
propiedades de los materiales dependen de
su microestructura también un diagrama de
fases es muy importante porque nos dan
información sobre los fenómenos de fusión,
moldeo y cristalización.

DEFINICIONES Y CONCEPTOS
BÁSICOS
 Componente: Los componentes son metales
puros, compuestos o ambos de los que se
compone una aleación.
 Sistema: Un sistema puede referirse a un cuerpo
específico también puede referirse a la serie de
posibles aleaciones que contengan los mismos
componentes pero sin considerar la composición.

 Fase: Una fase es una porción homogénea de un sistema
que tiene características físicas y químicas uniformes.
 Interface.- El límite entre dos fases se le conoce como
interfaces, es aquella superficie donde el arreglo atómico no
es perfecto.
 Límite de solubilidad.- Es una linea que separa dos fases .

 MICROESTRUCTURA
En una aleación la microestructura depende de variables como los
elementos aleantes, sus concentraciones y el tratamiento
térmico de la aleación.
 EQUILIBRIO DE UN SISTEMA
Un sistema está en equilibrio si su energía libre es mínima para
una combinación específica de temperatura, presión y
composición. El equilibrio de fases refleja la constancia o
permanencia en el tiempo de las características de las fases de
un sistema.
 DIAGRAMA DE FASES
Un diagrama de fases también denominado diagrama de
equilibrio presenta de manera concisa y simple gran parte de la
información acerca del control de la estructura de las fases de un
determinado sistema.

DIAGRAMA DE FASES DE UN SOLO
COMPONENTE
El diagrama de fases mono componente también
llamado diagrama de fases unitario y a veces
llamado diagrama de presión temperatura, es
aquel en el cual se mantiene constante la
composición.
Como ejemplo tenemos el diagrama del agua.

 DIAGRAMA DE FASES BINARIO
Representan las relaciones entre temperatura y composición y la
cantidad de fases en equilibrio las cuales influyen en la
microestructura de una aleación. Donde la presión es constante
normalmente se encuentra a una atmosfera.
 SISTEMAS ISOMORFOS BINARIOS
El sistema cobre-níquel se denomina isomorfo donde La
temperatura se grafica en el eje de las ordenadas y la
composición de la aleación como porcentaje en peso en el eje de
abscisas. La composición varía desde 0% en peso de Ni y 100%
en peso de Cu hasta 100% en peso de Ni y 0% en peso de Cu.
Como se puede observar en el diagrama, aparecen tres regiones
o campos de fases una región  , una región liquida L y un campo
bifásico +L.

INTERPRETACIÓN DE LOS DIGRAMAS DE FASES
Fases presentes
Se localiza en el diagrama el punto definido por la temperatura y la
composición y se identifica la fase o fases que están presentes.
Determinación de composiciones de fases
Para regiones monofásica y bifásicas se utilizan distintos métodos si solo
está presente una sola fase entonces la composición de esta fase es la
misma que la composición de la aleación total.
En cambio sí en una aleación tanto composición como temperatura se
encuentran en una región bifásica se utiliza una recta de reparto o
también llamada como isoterma.
Determinación de las cantidades de fase
Para una región bifásica se utiliza la resta de reparto conjuntamente con la regla
de la palanca o regla de palanca inversa.
𝑊
𝐿=
𝐶 𝛼−𝐶0
𝐶 𝛼−𝐶 𝐿
𝑊
𝛼=
𝐶0−𝐶 𝐿
𝐶 𝛼−𝐶 𝐿

PROPIEDADES MECANICAS DE
LAS ALEACIONES ISOMORFAS
 A todas las temperaturas y composiciones inferiores a la
temperatura de fusión del componente que tiene la
temperatura de fusión más baja, solamente existirá una
sola fase sólida, por tanto, cada componente
experimentara un endurecimiento por disolución solida o
un aumento en la resistencia y en la dureza, por la
adición del otro componente.

SISTEMAS EUTECTICOS
BINARIOS
Otro tipo de diagrama de fases común y relativamente simple, que se
puede encontrar en las aleaciones binarias se le conoce como diagrama de
fases eutéctico binario donde existen regiones monofásicas α, β y líquido.
En el diagrama existe características siguientes:
 La fase α.- Es una disolución solida rica en cobre, pero el soluto es la
plata con una estructura cristalina FCC.
 La fase β.- También tiene una estructura FCC pero soluto en cobre.
 Línea Solvus.- se denomina línea de solvus a la línea de solubilidad
que separa las regiones de las fases α y α más β.
 Línea de Solidius.- viene a ser el limite AB entre los campos α y α
mas L.
 Línea de Liquidus.- al agregar plata al cobre, la temperatura a la cual
las aleaciones se hacen totalmente liquidas disminuye a lo largo de la
línea liquidus, línea AE; de este modo, la temperatura de fusión del
cobre desciende con las adiciones de plata.
 Punto Invariante.- se denomina a la línea horizontal isoterma BEG.

A continuación vemos un ejemplo de un sistema eutéctico binario. La
figura representa el DIAGRAMA DE FASES COBRE-PLATA

PLOMO-ESTAÑO
Otro sistema eutéctico común es el de plomo-
estaño, en este sistema las fases de disolución
solida también se designan como α y β; en este
caso.
 El símbolo α representa una disolución solida de
estaño en plomo.
 En la fase β el estaño es disolvente y el plomo
es el soluto.

REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
En química y termodinámica, la regla de las fases de
Gibbs describe el número de grados de libertad (L) en un
sistema cerrado en equilibrio, en términos del número de
fases separadas (F), el número de componentes en el sistema
(C) y N el número de variables no composicionales (por
ejemplo; presión o temperatura). Esta regla establece la
relación entre esos 4 números enteros dada por:

EL SISTEMA HIERRO CARBONO
De todos los sistemas de aleación binarios, el más
considerado fue el hierro- carbono por ejemplo los aceros
son aleaciones hierro-carbono y constituyen la familia
industrialmente más importante de todas las aleaciones
metálicas.
La mayoría de las aleaciones de hierro derivan del diagrama
Fe-C que puede ser modificado por distintos elementos de
aleación. Para ello nos sirven para construir diferentes
tipos de herramientas.
Por ello es importante destacar el concepto del ACERO.

Aceros
 Es la aleación de hierro y carbono, en la que el carbono se
encuentra presente en un porcentaje mayor a 0.08% e inferior al
2% en peso, al cual se le adicionan variados elementos de
aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas
para sus diferentes usos en la industria.
 A medida que crece el contenido de carbono, aumenta la dureza y
la resistencia del acero, pero también aumenta su fragilidad y
disminuye la ductilidad
 A menor contenido de carbono, el acero presenta mejor
soldabilidad.
 El acero es un material dúctil, maleable, forjable y soldable.
 El acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado; lo
que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos
Los productos ferrosos con más de 2% de carbono se denominan
fundiciones de hierro.

Clasificación de los aceros de acuerdo a su porcentaje de
carbono:
 Aceros de bajo carbono. Su porcentaje de carbono es menor a
0.2%. Su microestructura está formada principalmente por ferrita.
Son metales muy suaves, dúctiles y de baja resistencia. Son
fáciles de deformar plásticamente.
 Aceros de medio carbono. Su porcentaje de carbono oscila
entre 0.2 y 0.5%. Su microestructura está formada por la mezcla
de ferrita y perlita. Constituyen la mayoría de aceros al carbono
disponibles comercialmente y sus propiedades mecánicas
dependen de la cantidad de ferrita y perlita que posean.
 Aceros de alto carbono. Su porcentaje de carbono es mayor al
05%. Tienen dureza y resistencia elevadas. Su ductilidad y
tenacidad son bajas.

DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO
En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C representa las
transformaciones que sufren los aceros al carbono con la
temperatura, admitiendo que el calentamiento o enfriamiento
de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los
procesos de difusión o la homogeneización tienen tiempo para
completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente
identificando los puntos críticos

OBSERVACION:
Los materiales no ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el
aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos
metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una
combinación de algunos de estos metales no ferrosos y se les
denomina aleaciones no ferrosas.

FASES PRESENTES EN EL CARBONO
Austenita.- Fase γ, es una solución solida intersticial
de carbono en hierro FCC. La máxima solubilidad en
estado del carbono en la austenita es del 2%.
Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita.
Es una fase no magnética.
Autenticación.- Calentamiento de un acero dentro de un
rango de temperatura de la austenita. La temperatura de la
autenticación varía dependiendo de la composición del
acero.

Ferrita
Fase α, una solución solida intersticial de carbono en hierro
BCC. La máxima solubilidad solida de carbono en hierro BCC
es del 0,02%. Consiste en átomos de hierro con estructura
cristalina BCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales.
La cantidad de átomos de carbono presentes en la ferrita es
pequeña. La ferrita es una fase muy suave, dúctil y magnética
Cementita
La cementita es un constituyente de los aceros, y otras
aleaciones férreas como las fundiciones blancas, que aparece
cuando se excede el limite de solubilidad del carbono en
ferrita por debajo de 727 C. La cementita tiene un 6,67% en
peso de carbono, y es un compuesto intermetálico de
inserción.

También la morfología de la cementita es muy variada
siendo destacables algunas estructuras típicas. Se
consideran las siguientes en los aceros:
· Cementita secundaria.
· Cementita eutectoide.
· Cementita terciaria.

Perlita
Es una mezcla de fases ferrita y cementita, en láminas
paralelas, producida por la descomposición eutéctoide de la
austenita.
Es una microestructura que contiene 0.77% en peso de
carbono se le denomina perlita ya que tiene la apariencia
de una perla al observarse microscópicamente a pocos
aumentos.

Troostita
Es una variedad de la perlita que está formada por nódulos
cuyo espacio interlaminar es pequeño, su dureza es mayor a la
perlita
FORMAS QUE PRESENTA
Forma laminar: Son láminas alternadas de las dos fases que
forman el constituyente bifásico. Cuanto más fina sea la
estructura es decir menor espacio interlaminar mayor será la
dureza además es la más frecuente.
 Forma globular: sobre la matriz ferrítica aparecen unos
glóbulos de cementita esta estructura es menos dura y
resistente.
TIPOS DE PERLITA:
 Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.
 Perlita fina: dura y más resistente

Eutéctoide: Acero con un 0,8% C.

Hipoeutéctoide: Acero con menos de 0,8% C.
Hipereutctéoide: Acero con un 0,8% C a un 2% C.

Alotropía Del Hierro
Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma
cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y
presión. Este fenómeno es determinado como polimorfismo o
alotropía
Acero.- Es toda aleación Fe-C entre 0,008% y 1,76% de
Carbono.
Hierro alfa (α).- Cristaliza a 768ºC. Su estructura cristalina
es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å.
Prácticamente no disuelve en carbono.
Hierro gamma (γ).- Se presenta de 910ºC a 1400ºC.
Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen
que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente
en carbono y es una variedad de Fe a magnético.
Hierro delta (δ).- Se inicia a los 1400ºC y presenta una
reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a
una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de
carbono es 0.007% a 1487ºC.. A partir de 1537ºC se inicia la
fusión del Fe puro.

ENDURECIMIENTO POR DISPERSIÓN Y DIAGRAMA EUTÉCTICO
El término general para tal endurecimiento, está dado por la
introducción de una segunda fase, al cual se le conoce como
endurecimiento por dispersión. Tendremos un énfasis en los
diagramas de fases, para conocer y detallar este fenómeno.
Ejemplos de endurecimiento por dispersión:
 Fases matriz, esta fase es continua y la más débil, también es
dúctil.
 Fase dispersa o precipitada , por lo general son partículas
pequeñas muy duras y resistentes.
 Transformación de líquido o solidificación de este, para
producir simultáneamente dos fases de solidos diferentes; esta
forma de endurecimiento ayuda a conocer las propiedades del
acero.
 Endurecimiento por precipitación o envejecimiento; lo cual
consiste en tratamientos térmicos del acero.

COMPUESTO INTERMETÁLICOS
Un compuesto intermetálicos contiene dos o más elementos
metálicos produciendo una nueva fase con composición y
propiedades propias; los compuestos intermetálicos son
similares a los materiales cerámicos en términos de propiedades
mecánicas.
Los compuestos intermetálicos estequiométricos tienen una
composición fija. Los aceros con frecuencia se endurecen por
medio de un compuesto estequeométrico; se representa en el
diagrama de fases por medio de una línea vertical.
Son representaciones graficas que involucran tres fases y dos
complementarias.
 Eutéctica
 Peritéctica
 Monotéctica
 Eutéctoide
 Peritéctoide

EUTÉCTICO
La reacción eutéctica constituye la transformación de solidificación
completa del líquido. Este tipo de reacción corresponde a un punto
fijo en el diagrama de fases, es decir, ocurre a una temperatura y
composición determinada, y dicho punto posee cero grados de
libertad .

REACCION EUTÉCTICO
Es una mezcla de dos componentes con punto de
fusión o punto de vaporización, es mínimo a diferencia
de las sustancias que están en estado puro.
Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en
estado líquido, cuyos componentes son insolubles en
estado sólido.
La temperatura de solidificación de la mezcla estará
comprendida entre las correspondientes a cada uno de
los componentes en estado puro.
La reacción eutéctica es la transformación de un
liquido con la composición eutéctica a dos sustancias
solidas en el enfriamiento.

REACCION PERITÉCTICA
Es una reacción invariante que implica tres fases en equilibrio
en esta reacción al calentarse una fase solida se transforma en
una fase liquida y en otra fase solida por ejemplo en el sistema
cobre-cinc existe un peritéctico a una temperatura de 598℃ y
78.6% en peso de Zn-21.4% en peso de Cu que en la gráfica
aparece como el punto P la reacción será escrita de la siguiente
manera.

REACCIÓN PERITECTOIDE
Reacción de tres fases, por la que dos fases sólidas se
transforman en otra sólida.
RECRISTALIZACIÓN: Proceso de formación de nuevos
granos. Para que se produzca la recristalización es
preciso deformar previamente al material. Existe una
temperatura por encima de la cual se produce la
recristalización, cuyo valor depende de la deformación
previa. La reacción peritectoide es extremadamente
lenta y produce indeseables estructuras fuera de
equilibrio.

 Es un constituyente de las fundiciones
 Se presenta cuando el porcentaje de carbono en hierro
aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total
de 1.76% de carbono.
 La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de
carbono (de composición alrededor del 4.3% de C)
desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC,
decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita
y cementita.
LEDEBURITA

 La Ledeburita surge cuando el
contenido de carbono es de entre 2,06%
y 6,67%. La mezcla eutéctica de
austenita y cementita es 4,3% de
carbono.
 mezcla de fases: austenita y cementita.
 La ledeburita posee un
alta dureza y fragilidad.
Estructura y propiedades

Presencia en las aleaciones de hierro
y carbono
Hierro
 La ledeburita se
produce en las
aleaciones de solo
hierro y carbono
en el intervalo de
concentraciones
de carbono del 2%
al 6,67%, que
corresponde a
los hierros
fundidos

Hierros hipoeutécticos
 Al llegar al punto eutéctico (4,3% de carbono, 1147 ° C)
comienza la cristalización eutéctica, ledeburita.
 en un hipoeutéctica fundición blanca, a temperatura ambiente,
la ledeburita está presente como componente estructural junto
con perlita y cementita secundaria.

Hierros eutécticos
 Al enfriar, la fase líquida del
punto eutéctico a una
temperatura de 1147 ° C
comienza la cristalización
simultánea de una mezcla
de austenita y cementita, la
ledeburita.

Hierros hipereutécticos
 En el hierro blanco hipereutéctica de líquido cristaliza la
cementita primaria en forma de agujas planas, a
continuación, se forma la ledeburita.
 A temperatura ambiente la fundición blanca contiene dos
componentes estructurales: cementita primaria y
ledeburita.

 El diagrama de fases de
las aleaciones
monotécticas, contiene un
domo o zona de
miscibilidad donde
coexisten dos fases
liquidas.
 Las reacciones eutéctoides
y peritéctoides son
reacciones de estado
sólido por completo.

Aleación eutéctica
 A medida que los átomos se
redistribuyen durante la
solidificación eutéctica, se
desarrolla una
microestructura característica
conocido como arreglo
laminar, parecido a una placa
o placas.
 El producto de la reacción
eutéctica tiene un arreglo
característico de las dos fases
solidas llamados micros
constituyentes eutécticos.

Microestructura del eutéctico
 No todos los eutécticos dan una estructura laminar.
 Las formas de las dos fases en el microconstituyente
están influidas por la rapidez de enfriamiento, la
presencia de elementos impuros y la naturaleza de la
aleación.
 La microestructura eutéctica en aleaciones de aluminio-
silicio, se altera por medio de la modificación, la
modificación ocasiona que la fase de silicio crezca como
barras delgadas interconectadas entre las dentritas de
aluminio, mejorando la resistencia a la tensión y el
porcentaje de elongación.

Tipos de microestructuras con el
enfriamiento lento de las aleaciones que
son parte de los sistemas eutécticos
binarios en el diagrama de fases plomo-
estaño.
 A)
El primer caso es él de las composiciones que varían entre un
componente puro y la solubilidad solida máxima para ese
componente a temperatura ambiente.

B)
 En el segundo caso
considerado es el de
composiciones que
varían entre el límite de
solubilidad a
temperatura ambiente y
la solubilidad solida
máxima a la
temperatura eutéctica.

C)
 El tercer caso implica la solidificación de la composición eutéctica.
Considere una aleación que tenga esta composición que se enfría a
partir de una temperatura dentro de la región de la fase liquida
siguiendo la línea vertical yy` a medida que baja la temperatura no
ocurren cambios hasta que se alcanza la temperatura eutéctica a
183 °C.

D)
 En el cuarto y último caso de
microestructura para este
sistema incluye todas las
composiciones excepto la
eutéctica que cruza la isoterma
eutéctica al enfriar.

Diagrama de esfuerzo
 El diseño de elementos estructurales implica
determinar la resistencia y rigidez del material
estructural. permiten determinar el esfuerzo y la
deformación que al graficar originan el denominado
diagrama de esfuerzo y deformación.

Ley de elasticidad de Hooke
 En física, la ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke,
establece que el alargamiento unitario que experimenta
un material elástico es directamente proporcional a la
fuerza aplicada.

ESFUERZO
 Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas
dentro del material por lo que se distribuyen en toda el
área; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por
unidad de área, la cual se denota con la letra griega
sigma (σ) y es un parámetro que permite comparar la
resistencia de dos materiales.
 σ = P/A

DEFORMACIÓN
 Definimos deformación como cualquier cambio en la
posición o en las relaciones geométricas internas sufrido
por un cuerpo como consecuencia de la aplicación de un
campo de esfuerzos.
 controlar las deformaciones para que la estructura
cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la
misma o mayor importancia.

Diagrama esfuerzo-deformación

Puntos del diagrama esfuerzo
deformación
 a) Límite de proporcionalidad:
 b) Limite de elasticidad o limite elástico:
 c) Punto de fluencia:
 d) Esfuerzo máximo:
 e) Esfuerzo de Rotura:

CONCLUSIONES
 El diagrama de fases es una herramienta de estudio y análisis muy
poderosa para conocer y detallar las composiciones, fases presentes
y las características que tiene una aleación en ingeniería.
 Los ingenieros realizan cálculos y composiciones exactas sobre las
cantidades de carbono agregado en hierro, para obtener
propiedades específicas y lo que se quiere de algunos materiales
para llevarlos a los diseños de ingeniería, prediciendo el
funcionamiento adecuado de sistemas mecánicos.
 Las deformaciones es una manera de entender propiedades y
características de los aceros, y sus limitaciones como material para
diseño; el diagrama de esfuerzo es una esquematización sobre la
ley de Hooke, que nos ayuda a entender el nivel de rigidez o la
resistencia de un material determinado a cierto esfuerzo limite.
 Las deformaciones es una manera de entender propiedades y
características de los aceros, y sus limitaciones como material para
diseño; el diagrama de esfuerzo es una esquematización sobre la
ley de Hooke, que nos ayuda a entender el nivel de rigidez o la
resistencia de un material determinado a cierto esfuerzo limite.

RECOMENDACIONES
 En la industria, en la ingeniería y también en lo cotidiano de
la vida, los aceros son parte de nuestra sociedad, conocer su
funcionamiento es vital para nosotros los estudiantes de
ingeniería, como aplicar los aceros de manera simple y
sencilla a nuestra realidad buscando innovar en nuestro
medio.
 Es un trabajo arduo aprender y desarrollar el diagrama de
fases, también como determinar la composición y la cantidad
de fases presentes en una aleación, pero ayuda mucho a la
hora de diseñar maquinas compuesto des aleaciones.
 Debemos tener presente que existen fases como austenita,
ferrita y cementita; si no interpretamos detalladamente sus
concentraciones de carbono en hierro, es posible que no
ocurra nada anormal en nuestras aleaciones, pero si
ignoramos esto pueda que ocurra situaciones inesperadas y
desagradables.

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