4. Termodinámica de Fases Condensadas

Objetivo General: Estudiar la relación entre las propiedades termodinámicas y el comportamiento de los materiales sólidos como una herramienta necesaria para su selección.

Objetivos Específicos:

Identificar el número de componentes presentes, el número de fases presentes, la composición de cada fase y la cantidad de cada fase en diagramas binarios y ternarios, aplicando la regla de las fases de Gibbs.
Aplicar la regla de la palanca en los diagramas de fase binarios.
Identificar reacciones de tres fases en sistemas binarios.
Calcular la energía libre y el calor de mezcla para un sistema binario simple.
Definir energía de superficie y relacionarla con cantidades termodinámicas como la energía libre de Gibbs.
Determinar la diferencia de presión a través de superficies curvas aplicando la ecuación de Laplace.
Relacionar ángulo de contacto y energías de superficie aplicando la ecuación de Young.
Diferenciar entre adhesión, cohesión y expansión sobre una superficie para calcular el trabajo asociado con las tres.
Describir la adhesión célula-célula en términos de energía libre.

Competencia a desarrollar:

Seleccionar los materiales de manera eficiente y disminuyendo los costos en ingeniería de procesos y para la formulación de productos.

Guía de Materiales de Ingeniería Química:

6_Aleaciones

7_Aleaciones Ferrosas

Ejercicios de Aleaciones Ferrosas y no Ferrosas:

1. (a) ¿Cuál es la diferencia entre un microcostituyente y una fase en equilibrio? (b) Nombre los tipos de procesamiento a través de los cuales se puede endurecer un material.

1. ¿Bajo que condiciones las composiciones de las fases presentes en un material sólido pueden diferir de aquellas que se predicen en el diagrama de fases?

2. ¿Qué puede causar que un material no forme las fases que se predicen en el diagrama de fases después de la solidificación?

a) Mantener el sólido a una temperatura cercana a la temperatura de solidus por largo tiempo.

b) Agregar nucleantes heterogéneos.

c) Enfriamiento lento.

d) Enfriamiento rápido

3. ¿Cuáles regiones de este diagrama de fases Fe-C son soluciones sólidas?

4. ¿Cuál de los siguientes factores afecta la extensión de la solubilidad sólida? Responda si o no.

a) Composición.

b) Temperatura.

c) Radio atómico.

d) Estructura cristalográfica

e) Electronegatividad

f) Valencia

1) En un sistema binario que consiste de A y B, dos fases α y β pueden existir dependiendo de la temperatura y composición. Las energías libres de Gibbs de α y β como función de la composición a cierta temperatura son mostradas en el diagrama siguiente.

(a) Indique sobre el diagrama los rangos de composición en los cuales existe (i) una única fase α, (ii) una única fase β, y (iii) una combinación de las fases α y β presentes en el equilibrio.

(b) Para cada una de las aleaciones con composición X1 y X2 que se muestran en el diagrama,

(i) indique en el diagrama la composición de las fases α y β que pueden coexistir;

(ii) calcule la fracción molar de la fase α y de la fase β; e

(iii) indique dibujando sobre el diagrama la energía libre de Gibbs total de la aleación

2) La estructura del diamante posee una energía libre de Gibbs más alta que la estructura de grafito a temperatura y presión ambiente. ¿Usted espera que el diamante se transforme en grafito bajo estas condiciones normales? Explique su respuesta usando un diagrama esquemático de la energía libre de Gibbs versus la estructura del carbono. (Por ejemplo: Diamante es el compuesto A y Grafito el compuesto B)

3) Usando el diagrama de transformación isotérmico para una aleación hierro-carbono de composición eutectoide (0,76% C) y los diagramas de propiedades mecánicas versus concentración mostrados en la página siguiente:

(a) Especifique el tratamiento térmico que resultara en 50% de perlita fina, 25% de bainita, 12,5% de martensita y 12,5% de martensita temperada. Dibuje la ruta de tratamiento térmico sobre el diagrama.

(b) Siguiendo las etapas de tratamiento térmico mostradas a continuación, ¿Cuál es el número de dureza Brinell y ductilidad (en términos de reducción de área) del material resultante? Se requiere que usted justifique su respuesta y grafique la microestructura resultante.

Mantenga a 750 C por suficiente tiempo para obtener 100% de austerita.
Enfrie rápidamente hasta 580 C y mantenga por 100 s.
Enfrie a temperatura ambiente.
Caliente a 720 C y mantenga por 72 horas.
Enfrie a temperatura ambiente.

4) Un acero 1030 es sometido a un tratamiento térmico de enfriamiento y temperado inadecuado, produciendo una estructura final compuesta de 60% martensita y 40% ferrita. Calcule el contenido de carbono de la martensita y la temperatura de austenización que fue usada. ¿Cuál temperatura de austenización recomendaría ud? Nota: la temperatura de austenización es aquella donde empieza el enfriamiento rápido para formar la martensita.

4. Un proveedor de recipientes a presión presenta dos alternativas para construir el separador de la planta de estabilización de crudo en el campo Guafita en Barinas: Un acero 1050 (fig.2) y un acero 4340 (fig.3). El proveedor indica lo siguiente con respecto al proceso de producción de ambos aceros: “La fase austenítica es sometida al siguiente tratamiento 5 s a 600 C, 10 s a 450 C y enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente”. a) Dibuje e indique la microestructura del acero producido (1050 y 4340) y calcule su composición (1 pto). b) Determine la Dureza Rockwell aproximada del material (0,5 ptos). c) Ud. como ingeniero de procesos: ¿Cuál acero seleccionaría para construir el separador? Justifique su respuesta (1 pto). Datos: Composición del acero 4340, 0,43% C; 0,70% Mn; 1,80% Ni; 0,80% Cr; 0,25% Mo.