Ejercicio diagrama de fases Titanio-Níquel

a) Para la aleación 1 hipereutéctica de composición química 70% Ni y 30% Ti, calcule las cantidades de los microconstituyentes eutécticos y proeutéctico que se forman justo antes de enfriar por debajo de 630°C.

b) Determine la composición química que debe tener una aleación 2 hipoeutéctica que forme la misma cantidad del micro-constituyente proeutéctico TiNi3 que se formó en la aleación 1.

c) Completar: justo después de enfriar la aleación 1 por debajo de 630°C, el microconstituyente TiNi se transforma en las fases ______%_________ y _______%_________, por reacción _________________. Escriba los cálculos que realizó para encontrar las cantidades porcentuales de ambos micro-constituyentes.

d) Revisando el diagrama de fases Ti-Ni, indique la composición química de la aleación que usted seleccionaría para realizar una unión por soldadura de una pieza de Titanio con otra de Níquel. Justifique con argumentos su respuesta.

Desarrollo del ejercicio

Primero imaginamos que a una composición Ti-70% Ni (es decir, para la aleación 1) dejamos enfriar desde temperaturas muy altas en donde la fase es 100% líquida. La temperatura continúa disminuyendo hasta una temperatura aproximada de 1300°C, donde ingresa a la región de dos fases líquido más sólido L+TiNi3. Justo a 1300°C aprox. comienza el crecimiento de la fase sólida o, en otras palabras, el crecimiento del microconstituyente proeutéctico o primario. El enfriamiento y el crecimiento del microconstituyente primario continúa hasta que la temperatura llega a 1118°C, en donde el microconstituyente proeutéctico detiene su crecimiento, es decir, ha alcanzado la cantidad máxima de microconstituyente primario posible.

Justo sobre 1118°C inicia el crecimiento del microconstituyente eutéctico, es decir, comienza a crecer un microconstituyente formado por dos fases sólidas que son TiNi y TiNi3. La temperatura se mantiene en 1118°C durante el crecimiento del microconstituyente eutéctico, y sólo desciende cuando todo el eutéctico está formado, es decir, cuando toda la solución es 100% sólida. Cuando las cantidades son 100% sólidas el punto que indica el estado de la aleación ingresa a la zona de dos fases sólido + sólido, TiNi + TiNi3.

Desarrollo a)

Realizaremos los análisis justo por encima y justo por debajo de 1118°C, ya que en 1118°C el microconstituyente eutéctico todavía podría estar en crecimiento. Sabemos que por encima de 1118°C éste no existe y por debajo de 1118°C existe todo. Primero calculamos el microconstituyente proeutéctico o primario usando la regla de la palanca justo sobre 1118°C, así:

Esta es la cantidad del porcentaje total en peso de microconstituyente proeutéctico. El resto es la cantidad de fase líquida que se transformará en microconstituyente eutéctico y que se calcula como,

Luego de enfriar por debajo de 1118°C, tendremos,

Sabemos que la cantidad de microconstituyente proeutéctico no cambiará por debajo de 1118°C, luego una parte de la respuesta sobre las cantidades de los microconstituyentes a 630°C es:

Ahora debemos hallar las cantidades de TiNi y TiNi3 en el microconstituyente eutéctico, del cual sabemos que es el 65.04% del peso total de la aleación. Como sabemos que el microconstituyente proeutéctico es 100% TiNi3 (alfa), y que el microconstituyente eutéctico contiene fases alfa y beta, podemos decir que hallando beta eutéctico tendríamos suficiente información para hallar alfa eutéctico. Hallemos beta (es decir, TiNi). Aplicando la regla de la palanca justo por encima de 630°C tenemos otra parte de la respuesta,

Como sabemos que,

despejamos la cantidad de fase TiNi3 eutectica o beta eutéctica, hallando así la última parte de la respuesta,

En conclusión, nos pedían las cantidades de cada fase en los microconstituyentes proeutéctico y eutéctico, es decir, cuánto de alfa y beta en el proeutéctico y cuándo de alfa y beta en el eutéctico. En el proeutéctico sólo tendremos una fase, mientras que en el eutéctico dos.

Desarrollo b)

La cantidad de microconstituyente primario o proeutéctico TiNi3 que se formó en la aleación 1 es,

La aleación 2 es hipoeutéctica debido a que su composición está por debajo de la composición eutéctica. Para hallar la composición química tomamos el brazo de la palanca que corresponde a la fase TiNi3 a una temperatura justo por encima de 1304°C y planteamos la fórmula, la cual contendrá la composición X que se busca, como,

Despejando la cantidad de Níquel en peso, X, obtenemos,

Como sabemos que la cantidad restante debe ser Titanio, la composición sería entonces,

Desarrollo c)

Para la aleación 1 tenemos que justo sobre 630°C las cantidades de las fases en los microconstituyentes proeutéctico y eutéctico que hallamos en el literal a) son,

Ahora, realizando el análisis justo por debajo de 630°C podemos usar nuevamente la regla de la palanca para determinar las cantidades de las fases en la aleación,

A 630°C se produce la reacción eutectoide, en donde una fase sólida (en este caso TiNi) se transforma por completo en dos fases sólidas (en este caso TiNi3 y Ti2Ni). Al calcular cantidades de fases justo por debajo de 630°C vemos que el porcentaje total de fase TiNi3 (proeutéctico + eutéctico) aumentó de 65.96 % TiNi3 (que resulta de sumar 34.96 + 31) a 80.1 % TiNi3, y que 19.9 % Ti2Ni es menor que 34.04 % TiNi. Es decir, una parte de la fase TiNi eutéctico se transformó a TiNi3 (porque aumentó) y otra parte se transformó en Ti2Ni.

La pregunta es cuánto del TiNi eutéctico se transforma en TiNi3 eutectoide y cuánto del TiNi eutéctico se transforma en Ti2Ni. La respuesta a continuación.

El total de TiNi3 antes de la reacción eutectoide era 65.96 % TiNi3. Dado que pasó a 80.1%TiNi3 la cantidad de TiNi3 eutectoide es,

El restante TiNi eutéctico se transforma en Ti2Ni eutectoide. Es decir,

Este punto se completaría, entonces, como sigue:

Justo después de enfriar la aleación 1 por debajo de 630°C, el microconstituyente TiNi se transforma en las fases 14.14%TiNi3 eutectoide y 19.9%Ti2Ni eutectoide, por reacción eutectoide.

Desarrollo d)

La mejor composición a seleccionar sería la aleación Ti-27.9%Ni por ser la de menor temperatura entre las eutécticas, de modo que funde y solidifica más rápido.