Diagramas de Fase

Es extremamente importante el estudio de diagramas de fase (o diagramas de equilibrio), una vez que la micro estructura de los materiales tiene relación con sus propiedades físicas y químicas.

Los diagramas de equilibrio relacionan temperaturas, composiciones químicas y las cantidades de las fases en equilibrio.

Definiciones:

Componentes: son elementos químicos y/o compostos con los cuales es constituida una aleación.

Sistema: cantidad de materia con masa y propiedades fijas sobre la cual centramos nuestra atención. Todo lo demás es llamado alrededores.

Ejemplo de sistema: gas contenido en el interior de un cilindro.

Fase: una fase puede ser definida como una parte homogénea de un sistema totalmente diferenciable de las otras partes, en cuanto a la forma y propiedades,

Limite de solubilidad : Para muchos sistemas y para una determinada temperatura, existe una concentración máxima de átomos de soluto que puede ser disuelta en el solvente formando una solución sólida. Esa concentración máxima es llamada límite de solubilidad.

Regla de las fases de Gibbs

La construción de diagramas de fase sigue las leyes de la termodinámica. Una de esas leyes es la regla de las fases de Gibbs, que establece un criterio para definir el número de fases en equilibrio en un sistema:

P + F = C + N

Donde:P - número de fases en equilibrio,F - número de grados de libertad o variaciónC - número de componentes, yN - número de variables excepto las de composición (normalmente presión y temperatura).

Regla de las fases de Gibbs

P + F = C + N

Para la mayoría de los sistemas N=2 (presión y temperatura) y en la mayoría de los procesos la presión es constante, así que N=1.

Para un sistema de dos componentes (binario) esta regla queda:

P + F = 2 + 1 = 3

Así para F = 0, se tiene que el número máximo de fases en equilibrio en un sistema binario, es:

P = 3

Por tanto, en un sistema binario cuando 3 fases están en equilibrio, el número de grados de libertad es 0 (F=0).

De esta forma el equilibrio es invariante, o sea, todas las variables son fijas, por tanto el equilibrio entre 3 fases ocurre a una determinada temperatura y las composiciones de las 3 fases son fijas.

Las principales reacciones en sistemas binarios involucrando 3 fases son:Eutéctica: L = S1 + S2Eutectoide: S1 = S2 + S3Peritéctica: L + S1 = S2Peritectoide: S1 + S2 = S3

Sistemas binarios isomorfos(Sistemas con solubilidad total, tanto en el estado sólido como el

el estado líquido)

La lectura de diagramas isomorfos es hecha definiendo el par composición temperaturay simplemente leyendo las fases indicadas.

En el campo de dos fases, la determinación de las fases presentes es posible trazándose un segmento de recta horizontal que pasa por el par composición-temperatura y alcanza las dos líneas que delimitan el campo de dos fases. la composición de la fase líquida y sólida es dada por el par definido por la intersección de este segmento de recta y la respectiva línea de contorno.

Coordenadas De Los Diagramas de Fase

Por lo general, los diagramas de fase se grafican con la temperatura (en grados centígrados o Fahrenheit), como la ordenada y la composición de la aleación (como porcentaje en peso), como la abscisa. Para ciertas investigaciones científicas, algunas veces es más conveniente expresar la composición de la aleación en porcentaje atómico. La conversión de porcentaje en peso a porcentaje atómico puede hacerse por medio de las siguientes fórmulas:

donde: M = peso atómico del metal A N = peso atómico del metal BX = porcentaje en peso del metal AY = porcentaje en peso del metal B.

Independientemente de la escala escogida para la temperatura o la composición, no habrá diferencia en la forma del diagrama de fase resultante.

Métodos experimentales Los datos para construir diagramas de equilibrio se determinan experimentalmente por diversos métodos, entre los cuales los más comunes son:

Análisis térmicos

Con mucho, éste es el método experimental que más se emplea. Como se demostró en el capítulo 5, cuando se hace un diagrama de temperatura contra tiempo, a composición constante, la curva de enfriamiento resultante mostrará un cambio en pendiente cuando ocurre un cambio de fase a causa de la evolución de calor por el cambio de fase. Este método parece ser el mejor para determinar la temperatura de solidificación inicial y final. Los cambios de fase que ocurren sólo en el estado sólido, generalmente comprenden pequeños cambios de calor, y otros métodos dan resultados más exactos.

Métodos metalográficos

Estos consisten en calentar muestras de una aleación a diferentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca, y entonces se enfrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura. Entonces las muestras se analizan al microscopio.Es difícil aplicar este método a metales a altas temperaturas, ya que las muestras enfriadas rápidamente no siempre retienen su estructura de alta temperatura, y entonces se requiere gran habilidad para interpretar en forma correcta la microestructura observada. Este método es el más adecuado para verificar un diagrama.

Difracción de rayos X

Como este método mide las dimensiones de la red, indicará la aparición de una nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por la aparición de una nueva estructura cristalina. Este método es sencillo, preciso y muy útil para determinar los cambios en la solubilidad sólida en relación con la temperatura.

Dos Metales Completamente Solubles En Los Estados Líquido y Sólido

Como los dos metales son completamente solubles en el estado sólido, el único tipo de fase sólida formada será una solución sólida sustitucional. Los dos metales tendrán generalmente el mismo tipo de estructura cristalina y diferirán en sus radios atómicos en menos del 8%.

El resultado de correr una serie de curvas de enfriamiento para varias combinaciones o aleaciones entre los metales A y B, variando en composición del 100% de A y 0% de B hasta 0% de A y 100% de B, se muestra en la figura. A fin de ver la relación que existe entre las curvas de enfriamiento, sé han graficado en un solo conjunto de ejes; no obstante, el lector debe darse cuenta de que cada curva de enfriamiento tiene sus propias coordenadas. En otras palabras, cada curva de enfriamiento es un experimento separado que se inicia desde el tiempo cero. Las curvas de enfriamiento para los metales puros A y B muestran sólo una línea horízontal, porque el inicio y el fin de la solidificación tienen lugar a una temperatura constante; sin embargo, como las composiciones intermedias forman una solución sólida, estas curvas de enfriamiento muestran dos rompimientos o cambios en la pendiente. Para una aleación que contiene 80 de A y 20 de B, el primer rompimiento ocurre a la temperatura T1, lo cual indica el principio de la solidificación, y el rompimiento inferior a una temperatura T2, muestra el final de la solidificación. Todas las composiciones de aleaciones intermedias mostrarán un tipo de curva de enfriamiento semejante. El sentido del diagrama de fase, o alguna idea de su forma, puede obtenerse al dibujar una línea que vincule todos los puntos que muestran el principio de la solidificación (la línea de puntos superior de la figura) y otra línea que una todos los puntos que muestran el final de la solidificación (la línea punteada inferior de la figura).

Ahora es posible determinar el diagrama de fase real con una gráfica de la temperatura contra la composición. Los puntos apropiados se toman de la serie de curvas de enfriamiento y se grafican en el nuevo diagrama; por ejemplo, en la figura 2 como el eje izquierdo representa al metal puro A, TA, se grafica a lo largo de esta línea. De manera análoga se grafica TB. Como todas las composiciones intermedias son porcentajes de A y B, por simplicidad se omite el signo %. Se dibuja una línea vertical que representa la aleación 80A-20B, y T1, y T2, de la figura 6.1 se grafican a lo largo de esta línea. El mismo procedimiento se emplea para otras composiciones.

El diagrama de fase consta de dos puntos, dos líneas y tres áreas. Los puntos TA, y TB

representan los puntos de congelación de los dos metales puros.

La línea superior, obtenida al unir los puntos que muestran el inicio de la solidificación, se llama línea liquidus, en tanto que la línea inferior, determinada al unir los puntos que muestran el final de la solidificación, se llama línea solidus. El área por arriba de la línea liquidus es una región unifásica, y cualquier aleación en esta región consistirá en una solución líquida homogénea. Asimismo, el área por debajo de la línea solidus es una región unifásica, y cualquier aleación en esta región constará de una solución sólida homogénea. A1 marcar diagramas de equilibrio, es una práctica común representar las soluciones

sólidas y algunas veces las aleaciones intermedias con letras griegas. En este caso, la solución sólida se marca con la letra (). Las letras mayúsculas, como A y B, se usarán para representar los metales puros. Entre las líneas liquidus y solidus existe una región bifásica. Cualquier aleación en esta región constará de una mezcla de una solución líquida y de una sólida.

Especificar la temperatura y la composición de una aleación en un área de dos fases indica que la aleación consta de una mezcla de dos fases, pero no da ninguna información referente a esta mezcla. Algunas veces es deseable conocer la composición química real y las cantidades relativas de las dos fases presentes. Para determinar esta información, aplicar dos reglas.

Regla I: composición química de las fases

Para determinar la composición química real de las fases de una aleación, en equilibrio a cualquier temperatura específica en una región bifásica, se debe trazar una línea horizontal para la temperatura, llamada línea vínculo, a las fronteras del campo. Estos puntos de intersección se abaten a la línea base y la composición se lee directamente.

En la figura 6.3, considérese una aleación constituida por 80A-20B a la temperatura T. La aleación está en una región de dos fases. Aplicando la regla I, se debe dibujar la línea vínculo mo a las fronteras del campo. El punto m, la intersección de la línea vínculo con la línea solidus, cuando se abate a la línea base, da la composición de la fase que existe en esa frontera. En este caso, la fase es una solución sólida de composición 90A-10B. Asimismo, el.punto o, cuando se abate a la línea base, dará la composición de la otra fase que constituye la mezcla; en este caso, la composición de la solución líquida es 74A-26B.

Regla II: cantidades relativas de cada fase

Para determinar las cantidades relativas de las dos fases en equilibrio, a cualquier temperatura específica en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que representa la aleación y una línea horizontal (como la, temperatura), a los límites del campo. La línea vertical dividirá a la horizontal en dos partes cuyas longitudes son inversamente proporcionales a la cantidad de las fases presentes. Ésta también se conoce como regla de la palanca. El punto donde la línea vertical intercepta a la horizontal se considerará, como el fulcro, o eje de oscilación de un sistema de palanca. Las longitudes relativas de los brazos de palanca multiplicadas por las cantidades de las fases presentes, deben balancearse.

En la figura 6.3, la línea vertical, que representa la aleación 20B, divide la línea de vinculación horizontal en dos partes: mn y no. Si se toma toda la longitud de la línea de vinculación mo para representar al 100%, el peso total de las dos fases presentes a temperatura T, la regla de la palanca puede expresarse matemáticamente como

Si la línea vínculo se elimina del diagrama de fase y se insertan los valores numéricos, ésta aparecerá como se muestra en la figura 6.4. A1 aplicar las ecuaciones mencionadas en el párrafo anterior, se tiene:

c

Para resumir ambas reglas, la aleación de composición 80A-20B a la temperatura T consta de una mezcla de dos fases. Una es una solución líquida de composición 74A-26B que constituye el 62.5% de todo el material presente y la otra una solución sólida de composición 90A-10B que comprende hasta el 37.5% de todo el material presente