DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
Se denomina análisis térmico al estudio de la variación de la
temperatura de un metal o aleación durante su calentamiento
o enfriamiento
Enfriamiento
Calentamiento
Curva de enfriamiento
Curva de calentamiento
Con cantidades de calor constante por unidad de tiempo
tenemos una elevación continua de temperatura, siempre
que este no sufra ninguna transformación.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
Las transformaciones experimentadas en la estructura de los metales
ocurren generalmente con absorción o desprendimiento de energía.
Si durante el enfriamiento o calentamiento de un metal, este pasa por
alguna transformación estructural, su curva de enfriamiento presentara
una inflexión.
En el caso de un metal puro la curva de enfriamiento presenta una
meseta.que corresponde a su temperatura de solidificación.
Por inercia, hay un pequeño sub.
enfriamiento luego, se recupera.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
Las aleaciones presentan un intervalo de solidificacion.
Una aleacion de 2 mas o metales que se disuelven mutuamente en
estado solido en todas las proporciones, presenta un intervalo de
solidificación T1 – T2 en lugar de la meseta. Los puntos M y N de la curva
de enfriamiento corresponden a los puntos de inicio y fin de la
solidificación
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
El intervalo de solidificación toma distintos valores de acuerdo a la
concentración de los componentes.
Podemos determinar toda una gama de curvas
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
Si representamos todas esas curvas en
un solo diagrama y unimos todos los
principios y fin de solidificación,
tendremos un diagrama, en donde la
curva superior se denominara “
liquidus”, por arriba de la cual todo el
material esta en estado liquido, y la
curva inferior se denominara “solidus”
por debajo de ella todo el material esta
en estado solido.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
Aleaciones binarias.
a) Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido
b) Solubles en estado líquido y solubles en estado sólido.
c) Solubles en estado líquido y parcialmente soluble en estado sólido
d) Insolubles en estado líquido e insolubles en estado sólido
e) Insolubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido
f) Que contienen compuestos intermetálicos
g) Que contienen reacciones peritecticas
h) Que contienen transformaciones en estado sólido.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
Aleaciones binarias de componentes solubles en estado liquido y
completamente insolubles en estado solido. – Diagrama Eutectico.
Estudiaremos la aleación bismuto-Cadmio.
El análisis térmico de las aleaciones Bi-Cd de diferentes concentraciones
arroja curvas con un intervalo de solidificación y una meseta.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO BISMUTO-CADMIO
Comenzamos el análisis con 100%
Cd, el diagrama será una meseta, a
medida que aumentamos el porcentaje
de Bi, disminuye la temperatura de la
muestra, cuando la aleación tenga un
60% de Bi y 40% de Cd, y la
temperatura sea de 140º, ahí se detiene
la temperatura, hasta que se produce
toda la transformación.
Estamos en presencia de un Eutéctico
Luego continua aumentando el Bi,
hasta llegar a 100%, donde también
tendremos una meseta producida por el
Bi puro.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO BISMUTO-CADMIO
La composición química del punto E
se llama composición eutectica.
La temperatura del punto E se llama
temperatura eutectica.
Esta representación se llama diagrama
eutectico
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
LEY DE RAOUL
La ley de Raoul, referente a los puntos de solidificación de
soluciones cuyos componentes resultan insolubles en estado
sólido: “La temperatura de solidificación de un liquido
disminuye con el agregado de una sustancia soluble en
estado liquido e insoluble en estado sólido”
La disminución de la temperatura de solidificación es
proporcional a la cantidad de moléculas disueltas.
La temperatura del Cd es de 325º y la del Bi es 273º, por lo
tanto cualquier aleacion comenzara a solidificar a una
temperatura menor que el solvente.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
LEY DE RAOUL
Se originan dos curvas de solidificacion descendentes, que
convergen en un punto, llamado eutectico y corresponde al
punto de menor solidificación.
Si tomamos una aleación A 20% de Bi en Cd, al llegar al
punto B, comienzan a solidificar cristales de Cd puro.
El líquido pierde Cd y aumenta el porcentaje de Bi, de
acuerdo a la ley de Raoul,. baja la temperatura de
solidificación
A medida que sigue bajando la temperatura, prosigue precipitando Cd
puro, aumentando los cristales en numero y en tamaño. La composición
toma los valores de la proyección sobre la abcisa. Al llegar a 140º estamos
en presencia de cristales de Cd en el seno de un liquido que tiene 40% de
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Cd y 60% de Bi. O sea es el PUNTO EUTECTICO.
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ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO
En el punto E coinciden las líneas de Solidus y liquidus, por debajo de
este punto no existe el liquido, solo sólido. Entonces todo el liquido debe
solidificar en ese punto, de tal manera que todo el liquido remanente
formado por Cd y Bi, como no se disuelven en estado sólido, precipitan
en forma de cristales pequeños de Cd y Bi, uno al lado del otro,
impidiendo el crecimiento de uno y de otro.
Se origina una estructura de granos muy
finos uniformemente distribuidos.esta
estructura se denomina EUTECTICA,
Esta estructura rodea los granos de Cd
que se formaron previamente
Cristal de Cd
Cristal de Bi
Cristal de Cd
{ Eutectico
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO
Si tomamos una aleación de 40% de Cd y 60% de Bi
es la concentración eutectica en estado liquido,
puntos. Y la enfriamos hasta que la temperatura
alcance los 140º, en este momento coprecipitan los
cristales puros de Cd y Bi.
Esta es la aleación de menor punto de solidificación.
Cd
Bi
{
EUTECTICO
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ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO
Si tomamos una aleación de 20% de Cd y 80% de Bi,
punto D, Si comenzamos el enfriamiento, comienza a
precipitar Bi, y el liquido se enriquece en Cd, hasta
llegar a la composición 40% Cd y 60% Bi, en ese
punto y cuando el liquido alcance los140º,
coprecipitan cristales en Cd y Bi, rodeando los
cristales de Bi precipitados previamente.
Bi
Cd
Bi
{
EUTECTICO
La precipitación del Eutectico no es instantánea, su duración es
proporcional a la cantidad de liquido a solidificarse, durante su
solidificación la temperatura permanece constante
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ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO
Durante la solidificación se puede medir
el tiempo en que la temperatura
permanece constante.
Es máximo para la aleación eutectica y
disminuye a medida que se acerca a los
extremos, en la figura observamos en el
diagrama superior como varia el tiempo.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
DIAGRAMA EUTECTICO
Durante la solidificación podemos conocer la
proporción entre las cantidades de sólido y
liquido presentes.
Los segmentos horizontales, correspondientes
a cada temperatura están subdivididos por la
vertical de la concentración inicial en dos
partes inversamente proporcionales a las
cantidades de liquido y sólido.
P/e. para una temperatura de 220º C. para una
aleacion del 20% Bi en Cd.
% liquido=
MN
MP
X 100
% sólido =
NP
X 100
MP
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS
COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO SOLIDO Y LIQUIDO.
SOLUCIONES SOLIDAS
En estas aleaciones los átomos del 2do.
elemento, llamado soluto se encuentra
alojado en los intersticios de la red
cristalográfica ( Solución sólida intersticial) o
reemplazando átomos del solvente (Solución
sólida sustitucional).
En ambos casos los diagramas son similares
y la aleación consta de una sola fase.
El análisis térmico arroja curvas de
enfriamiento con un intervalo de solidificación
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS
Durante la solidificación podemos determinar
para cada temperatura las cantidades de
liquido y solidó presentes, para una
determinada composición química
OK
% sólido =
x 100 % liquido =
JK
JO
x 100
JK
Para la aleación x, de composición P, a la temperatura T1, tendremos una
cantidad de sólido y liquido inversamente proporcional a los segmentos
determinados sobre la horizontal de la temperatura de trabajo.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS
Aleación Cu – Ni. Con enfriamientos muy
lentos a partir de un liquido x, tendremos
una separación de granos de sólido de
composición N, como primer precipitado. Al
seguir bajando la temperatura ( punto B),
precipitara sobre los núcleos de comp. N,
un precipitado de comp. M.
Si la velocidad de difusión es lo suficientemente grande como para permitir que los
átomos de Cu puedan penetrar en el
precipitado formado (N), hasta llegar a (M).
A la temp. T3 tendremos el precipitado C, y en T4 el D, en cada uno de
ellos se repite, el fenómeno de difusión, si esta lo permitió tendrá la
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comp. P.
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ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS
Grano O
Grano M
Si la difusion es perfecta
Grano P
Grano P
Grano N
Si la difusion es pobre
Si la difusión lo permite todo el
solido tendrá la composición P,
coincidente con la composición
química original
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS
Como la difusión es deficiente, a cada
temperatura precipitaran cristales
correspondientes a la composición teórica,
pero .los formados con anterioridad no
modificaran su concentración y no darán los
valores teóricos requeridos.
De este modo a la temp. T2 , el promedio de la
Composición será M’, en lugar de M, a la
temp. T3 será P’ en lugar de P y la
solidificación no terminara en 3, sino en O.
Los granos formados tendrán un gradiente de composiciones. En su centro
serán mas ricos en la composición de mayor punto de solidificación
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ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS
No basta, muchas veces, un enfriamiento lento a partir del
liquido, sino que necesita un calentamiento, con
enfriamiento lento dentro del horno.
La estructura y propiedades mecánicas de las soluciones
solidas son:
Granos poligonales equiaxiales, semejantes a los metales
puros. Gran plasticidad,( ductibilidad, forjabilidad,etc.).
La plasticidad disminuye a medida que se acerca al centro
del diagrama y aumenta la resistencia mecánica.
Cuando los granos son chicos gran resistencia, granos
grandes disminuye la resistencia.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS COMPLETAMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LIQUIDO Y SOLIDO. SOLUCIONES SOLIDAS
Existen diagramas de solución sólida total con una temperatura
máxima o mínima de solidificación correspondiente a una aleación
intermedia de la serie.
A ambos lados de esta temperatura limite, tenemos solución sólida
total, pero el material de la izquierda solidifica según un sistema
cristalográfico, el de la derecha según otro.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Estamos en presencia de 2 metales cada
uno de los cuales disuelve una cantidad
limitada del otro.
El diagrama correspondiente presenta 2
zonas de solución sólida en sus extremos
α y β y un eutectico en su region
intermedia (E), T3 y T4 son las
temperaturas de los metales puros A y B.
El punto G indica la maxima cantidad de metal B que puede disolverse en A.
Este valor máximo de solubilidad es N% y se obtiene a la temp. T2 . A temp.
menores la solubilidad de B en A disminuye según GM y a temp. Ambiente el
metal A puede contener tan solo M% de material B disuelto.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
En el punto E tenemos un eutectico,
temp.T2, O es la composición química.
En el punto H, tenemos la máxima
solubilidad de A en B y disminuye según la
línea MP, a temp. Ambiente la cantidad de
A disuelta en B es de P%.
En A y B tenemos la estructura de metal puro, en el Eutectico , la estructura
corresponde a una composición de N % ( B en A) y 100 – R % ( A en B).
El eutectico esta formado por cristales de solución sólida α de comp. N, y
de solucion solida β de comp. R.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Puntos 1 y 6 Solución sólida pura
Aparece a ambos extremos del diagrama.
Al enfriarse desde el estado liquido, corta
la línea del liquidas precipitando cristales
de solución sólida α de comp. 1’, seguidos
de otro de composición 1”. Con
enfriamientos muy lentos o tratamientos
termicos de homogeneizacion posterior
tendremos un material ductil y blando.
Metal puro A
La estructura metalografica sera de granos
poligonales equiaxiales.
Si el enfriamiento es brusco y no se efectuó ningún tratamiento
la estructura será de granos de componente A en el centro y B
en los bordes.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Para la aleación 2 el mecanismo es similar:
produce solución sólida α. Pero una vez
sólida al bajar la temperatura y cruzar la
línea GM, comienza a segregar el
componente β, en los bordes de grano.
Si el enfriamiento es brusco, se puede
obtener la misma estructura anterior con un
tratamiento térmico de recocido.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
3 Solución sólida rodeado de eutectico
Al enfriarse a partir del estado liquido, se
llega a la línea del líquidas y precipita la
solución sólida α. Existe liquido
rodeando los cristales formados, cuya
composicion ha ido siguiendo la linea
CE.
A la temperatura eutectica posee la composición correspondiente al
punto E, en forma isotérmica precipitan granos α de Comp.N y granos β
de comp. R, rodeando los granos de solución sólida
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
La solubilidad de B en A, va disminuyendo a
medida que baja la temperatura según la línea
G-M, segregando componente B, que a
temperatura ambiente tendrá la composición M.
Este componente así segregado pasa al borde
de grano, no será material puro B, sino solución
sólida β de composición P. El mismo fenómeno
ocurre con la solubilidad de A en B, a temp.
ambiente tendremos granos de α de comp. P
En el punto 3 entonces tenemos granos de solución sólida α rodeada de
eutectico formada por granos pequeños de solución sólida α de comp. M y de
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solución sólida β de comp. P.
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
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ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Cuando la concentracion
de α sea mayor, menor
sera la proporsion de
eutectico, el metal sera
mas blando, menor
dureza y resistencia.
Solucion solida α
Eutectico
Con menor concentracion de α, mayor sera la cantidad
de eutectico, el metal sera mas duro, mayor dureza y
mayor resistencia.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Fig. 162 Resulfurized 4140 steel
forging normalized by austenitizing 30
min at 900 °C (1650 °F) and air
cooling, and annealed by heating 1 h
at 815 °C (1500 °F), furnace cooling to
540 °C (1000 °F), and air cooling.
The structure is blocky ferrite and
lamellar pearlite. The black dots are
sulfide. 2% nital. 825×
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
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ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Aleacion 4,punto E, composicion eutectica
Cuando la aleacion tiene la composicion
eutectica, el liquido desciende su temperatura
hasta la eutectica, alli se produce una
transformacion isotermica , se forman granos
de solucion solida α y granos de solucion
solida β, de composicion N y R
respectivamente. Al llegar a la temperatura
ambiente, se fueron segregando componentes
de manera que tenemos un eutectico formado
por α de comp. M y β de comp. P
Este material es el de grano mas fino y sera el mas duro y resistente. Ademas
es de mejor colabilidad.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
La aleacion 5 se asemeja a la 3, pero
solidifica primero β y luego eutectico
Sol. Sol. β
Eutectico
Metal puro B
La aleacion 1 es similar a la 6
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
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ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO)
Como en los casos anteriores
se puede determinar el los
porcentajes de liquido y solido,
p/e en el punto tenemos
IJ
% de liquido=
% de solido=
IK
JK
IK
X 100
X 100
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO
Todas estas transformaciones se pueden realizar con enfriamientos
infinitamente lentos o con tratamientos térmicos posteriores, si no suceden
estas cosas los granos tienen diferentes composiciones durante toda su
transformación desde liquido hasta completamente sólido.
El material a considerar tiene la
composicion B’, pero al inicio tiene la
composicion A’, si hay difusion
perfecta la composicion en todo el
grano es B’ , sino sera una intermedia.
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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – SISTEMAS BINARIOS
ANALISIS TERMICOS – CURVAS DE ENFRIAMIENTOS
ALEACIONES BINARIAS DE COMPONENTES
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SOLIDO Y
COMPLETAMENTE MISCIBLES EN ESTADO LIQUIDO
Un ejemplo de estas aleaciones es Pb- Sn,
presenta dos regiones de solución sólida y
un eutectico, los puntos B y D marcan la
máxima solubilidad de un componente en
otro. Las aleaciones con Sn entre 19,5% y
62%, están formadas por granos de solución
sólida de Sn en Pb y eutectico. Las
comprendidas entre 62% y 92,4% de Sn. Por
granos de solución sólida de Pb en Sn y
eutectico. 62% de Sn, eutetectico puro.
El eutectico esta formado aquí por por cristales de solución sólida β de 92,4%
de Sn y solución sólida α de 19,5% de Sn.
Las aleaciones con 33%, 50% 62% se utilizan para soldadura
a baja temperatura. ( las barritas de Sn).
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eutectico - Ciencia de los Materiales