Polimeros

f Diagramas binarios generales

El diagrama periléctico que se vio antes (figura 5.2-11) fue nuestro primer ejemplo de un sis¬tema binario con un compuesto intermedio. Esto es, de hecho, una ocurrencia relativamente frecuente. Por supuesto, estos compuestos no están asociados sólo con la reacción peritéctica. La figura 5.2-13(a) muestra el caso de un compuesto intermedio AB, el cual se funde de ma¬nera congruente. Un aspecto importante de este sistema es que, es equivalente a dos diagra¬mas eutécticos binarios adyacentes, del tipo que se presentó en la figura 5.2-5. De nuevo, por simplicidad, ignoramos la solubilidad sólida. Este es nuestro primer encuentro con lo que puede denominarse un diagrama general, una composición de dos o más tipos de diagramas de los que se estudiaron en las secciones 5.2a-e. El método para analizar estos sistemas más complejos es directo, sólo se utiliza el sistema binario más pequeño asociado con una compo¬sición total y se ignoran los demás. Este procedimiento se ilustra en la figura 5.2-13(b), el cual muestra que para una composición total entre AB y B, podemos tratarlo como un simple diagrama cutéctico binario de AB y B. En todos los propósitos prácticos, el binario A-AB no existe para la composición total que se muestra en la figura 5.2-13(b). En ninguna parte del desarrollo de la microestructura para esa composición se encontrarán cristales de A en una matriz líquida o los cristales de A y AB existirán simultáneamente en equilibrio. En la figura 5.2-14, se muestra una ilustración más elaborada de este caso. En la parte (a) encontramos un diagrama general, relativamente complejo, con cuatro compuestos intermedios (A¡B, AB, AB2 y AB«) y varios ejemplos de diagramas binarios individuales. Pero para la composición total que se muestra en la parte (b), sólo el diagrama binario AB2-AB< es relevante.

FIGURA 5.2-13 (a) Diagrama de fases binario con un compuesto intermedio AB de fusión congruente. Este diagrama es equivalente a los dos diagramas eutécticos binarios simples (los sistemas A-AB y AB-B). (b) Para analizar la microestructura de una composición contenida totalmente en el sistema AB-B, sólo ese diagrama eutéctico binario necesita considerarse.

FIGURA 5.4-4 Desarrollo microestructural durante el enfriamiento lento de una composición hipoeutéctica

eutéctica. Ln la figura 5.4-4 vemos el desarrollo de grandes granos de u proeutéctica junto con la microestructura de las capas a y (5. Otros dos tipos de desarrollo microestructural se ilustran en la figura 5.4-5. Para una composición total del 10% de 13, la situación es totalmente similar a la del diagrama binario de solución sólida completa de la figura 5.4-1. La solidifica¬ción conduce a una solución sólida de una sola fase que permanece estable al ser enfriada a bajas temperaturas. La composición de 20% B se comporta de manera similar excepto que, bajo enfriamiento, la fase a llega a saturarse con átomos de B. Mayor enfriamiento conduce a la precipitación de una pequeña cantidad de la fase p. Ln la figura 5.4-5(b). se muestra que ésta precipitación ocurre a lo largo de las fronteras de grano. F.n algunos sistemas, la segunda fase precipita dentro de los granos. Para un determinado sistema, la morfología de la segunda fase puede ser una función sensible a la rapidez de enfriamiento. Ln la sección 6.4 encontra¬remos este caso para el sistema Al-Cu, en el cual el endurecimiento por precipitación es ejemplo importante del tratamiento térmico.

Con la variedad de casos que se encontraron en esta sección, estamos en posición de estu¬diar cualquier composición en cualquiera de los sistemas binarios que se presentan en la sec¬ción que sigue, incluyendo los diagramas generales que se ilustran en la figura 5.2-14(b).

problema ilustrativo 5.4-1

La figura 5.4-3 mueslra el desarrollo mieroeslructural para una aleación de 80% de peso de B. F.n lugar de esa, considere 1 kg de una aleación de 70% de peso de 13.

(a) Calcule la cantidad de fase 13 a Ty

(b) Calcule qué fracción del peso de esta fase f3 a 7", es proeutéctica.

Solución

(a) Al utilizar la ecuación 5.3-5 se obtiene

-v - >„ 70 - 30

^ (lkí)-90^30 = 0.667 kg = 667 g

(b) La P proeutéctica es la que estuvo presente en la microestructura a 7V

x — Ai 70-60

w^ = .^Trt(lk8) = ^o—^(,^>

= 0.33.3 kg = 333 g

Esta porción de la microestructura se mantiene al ser sometida a enfriamiento a través de la temperatura eutèctica, con lo que se obtiene

P proeutéctica

fracción proeutéctica =

total de p

333 g

= 7ZT = °-50

667 g ■

Ejercicio ilustrativo 5.4-1

En el problema ilustrativo 5.4-1, calculamos la información mieroeslructural acerca de la fase P para la aleación de 70% de peso de B en la figura 5.4-3. De manera análoga, calcule (a) la cantidad de la fase a a T¡ para 1 kg de una aleación de 50% de peso de B y (b) la fracción de peso de esta fase a a 7j, la cual es proeutéctica (véase también la figura 5.4-4).

5.5

Algunos diagramas binarios importantes

Concluimos este capitulo con una selección representativa de diagramas binarios de impor¬tancia para la industria de los metales y las cerámicas. El uso mas importante de los diagra¬mas de lases en ingeniería de materiales es, por mucho, para esos materiales inorgánicos. Las aplicaciones de polímeros por lo regular involucran sistemas de un solo componente y/o es¬tructuras carentes de equilibrio que no son adecuados para ser presentados como diagramas de fases. El uso frecuente de fases altamente puras en la industria de los semiconductores también hace que los diagramas de fase sean de uso limitado.

a Sistema Fc-Fe3C

El sistema Fe-Fe>C (figura 5.5-1) es el diagrama de fase de mayor importancia comercial que encontraremos. Proporciona la principal base científica para las industrias del hierro y el ace¬ro. En el capitulo 7 el límite entre los "hierros" y los "aceros" se identificará como un conte¬nido de carbono del 2.0% de peso. Este punto corresponde, de modo general, al límite de solubilidad del carbono en la fase y austenitu* de la figura 5.5-1. Además, este diagrama es representativo del desarrollo microestructural en muchos sistemas relacionados con tres o más componentes (por ejemplo, algunos aceros inoxidables que incluyen grandes cantidades

FIGURA 5.5-1 Diagrama de fases del Fe-Fe3C. Note que el eje de composición está dado en porcentaje de peso de carbono, aunque el Fe3C, y no el carbono, es uno de los componentes. (Tomado de Metals Handbook, 8° de., Vol. 8: Metallography, Structures, and Phase Diagrams, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1973, y Binary Alloy Phase Diagrams, Vol.1 T B. Massalski, de American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1986.)

•William Chandlcr Robcrts-Austcn (1843 1902), metalurgista infles 1:1 joven Williain Robetls pretendía ser un ingeniero en mi¬nas, pero sus oportunidades lo condujeron a un puesto, en 1882. como "químico y ensayista de la casa de moneda" un puesto que conservó hasta su muerte. Sus variados estudias de la tecnología de fabricación de monedas lo llevaron a ser designado como profe-sor de metalurgia en la Royal School of Mines Tuvo gran éxito en sus puestos en el gobierno y en la academia Su libro de texto, /"-inuhíiion lo ihe Slmly nf Mvlalhir^v. se publicó en seis ediciones entre 1891 y 1908 l.n 18XS adoptó el apellido adicional en honor a su lio (Nalhanicl Ansien} de cromo). Aunque el Felc y no el carbono, es un componente en este sistema, se acostum¬bra que el eje de composición esté dado en porcentaje de peso de carbono.* Las áreas impor¬tantes en este diagrama están alrededor de las reacciones eutèctica y eutectoide. La reacción peritéctica cercana a los 1500°C no tiene consecuencias prácticas.

PofCOMSJS ile peso dr embono

FIGURA 5.5-2 Desarrollo microestructural para el hierro fundido blanco (de composición 3.0% de peso de C) que se muestra con ayuda del diagrama de fases del Fe-Fe3C. El dibujo resultante (baja temperatura) puede compararse con la micrografia de la figura

7.1-1(a).

•Tome en incula tic mtcvn In noia al pie tic la papua 211.

La secuencia de enfriamiento para un hierro fundido blanco (véase la sección 7.1c) se muestra en la figura 5.5-2. La microestructura esquemática puede compararse con la micro-grafia de la figura 7.1 -1(a). La reacción eutectoide para producir perlita se muestra en la figu¬ra 5.5-3. Esta composición (0.77% de peso de C) es cercana a la del acero al carbono no alea¬do 1080 (véase la tabla 7.1-1).* La microestructura real de la perlita se muestra en la micro-grafía de la figura 5.1-2. Una composición hipereutectoide (composición mayor de 0.77% de peso de C) es descrita en la figura 5.5-4. Este caso es similar, en muchas formas, a la secuen¬cia hipereutéctica que se muestra en la figura 5.4-3. Una diferencia fundamental es que la ce-mentita proeuiecioide (Fe3C) es la matriz en la microestructura final, mientras que la fase proeutéctica en la figura 5.4-3 era la fase aislada. Esto es porque la precipitación de la cernen-tita proeutectoide es una transformación de estado sólido que se favorece en las fronteras de grano. La figura 5.5-5 ilustra el desarrollo de la microestructura para una composición hi-poeulecloide (menos de 0.77% de peso de C). Una nota

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