DIAGRAMAS DE FASES

Diagramas de fases

DIAGRAMA DE FASES EN CIENCIA DE LOS MATERIALES Estas reas se vienen integrando a travs de las actividades de la Organizacin CALPHAD.

rea de la metalurgia, fsica de slidos y ciencia de los materiales: Se estudian las fases, sus composiciones, estructura, forma, distribucin y estabilidad termodinmica

rea de la termoqumica y la termodinmica: Se miden las propiedades termodinmicas de las fase y las leyes que gobiernan el equilibrio de fases

reas de aplicacin

DIAGRAMAS DE FASES BINARIOS

Sistema Peritectoide

Sistema Eutctico

Sistema Eutectoide

Sistema Monotctico

Sistema Peritctico

Punto crtico

Lnea de coexistencia

L +

+

L1 L2 +

L

+

+

Sistema Sintctico

Isomorfo con Mximo

Isomorfo con Mnimo

L1 + L2

L

Sistemas binarios isomorfos Dos sistemas mutuamente solubles al estado lquido y al estado slido P + F = C + 2 = 4

C P V 2 1 3: P, T, x1 2 2 2: P, T 2 3 1: P 2 4 0

En la regin monofsica F = 3 (P, T, x1En la regin bifsica F = 2 (P, T)

)

En la regin trifsica F = 1 (P) Sistemas isomorfos con mnimos y mximos En los puntos mnimos y mximos ocurre la fusin congruente Sistema binario eutctico y eutectoide En la regin monofsica F = 3 (P, T, x1En la regin bifsica F = 2 (P, T)

)

En la regin trifsica F = 1 (P)

IAGRAMAS DE FASES BINARIOS

Diagrama isomorfo Como ejemplo vase la figura 1 el diagrama Bi-Sn. Est compuesto por una

solucin lquida L y una solucin slida S.

Sistema Eutctico Simple

Cuanto mas positiva es gE mas alto es Tc y mas amplia se hace la regin de

miscibilidad (figura 7). Esto puede conducir a la situacin que se muestra en la

figura 7 para Ag-Cu. El correspondiente diagrama g para este sistema se

muestra en la figura 7 para T = 1100oK en donde se tiene dos tangentes que

definen dos regiones de coexistencia de soluciones slidas con soluciones

lquidas. Al disminuir la temperatura por debajo de 1100oK gS desciende en

relacin a gL de manera que a una temperatura dada los dos puntos de

tangencia de gS con gL se encuentren en una misma tangente. Entonces se

tiene la coexistencia de dos soluciones slidas de composicin A y B con una

solucin lquida de composicin E. Esta temperatura se denomina temperatura

eutctica TE y la composicin E la composicin eutctica. A T < TE gL se

encuentra por encima a la tangente comn a las dos porciones de la curva gS

.

y por lo tanto se observa una brecha de solubilidad, en donde las

composiciones de dos soluciones slidas varan con T vara a lo largo de la

denominada curva solidus.

Inmiscibilidad Lquido-Lquido. Monotcticos

En la figura 8 (e ) se muestra que una desviacin positiva en el lquido da lugar

a una brecha de miscibilidad L- L. Un ejemplo real lo constituye el sistema Cu-

Pb de la figura 9. Si una aleacin Cu-Pb con XPb = 0.10 se enfra lentamente

desde el estado L, el Cu slido aparece a 1260oK. Si se contina enfriando la

composicin del lquido sigue la curva liquidus hasta alcanzar el punto A a

1227o

K en donde ocurre la siguiente transformacin invariante monotctica

Solucin lquida A solucin lquida B + Cu(slido)

(5)

Al continuar el enfriamiento por debajo de la temperatura monotctica se tiene

Cu(slido)

coexistiendo con solucin lquida cuya composicin vara a lo largo del

liquidus BA

Peritcticos

La transformacin invariante que se muestra en la figura (8i) se denomina

peritctico. Como ejemplo se tiene el sistema Au-Fe (figura 10).que exhibe un

peritctico PRQ a 1441 oK y otro a 1710oK. Las energas libres para L y el

slido FCC se muestra en la misma figura con gL y gFRCC a Tp = 1441oK. PQR

es la tangente comn a ambas fases. Considrese el lento enfriamiento de la

aleacin XFe = 0.65 desde el estado L. A temperatura justo por encima de

1441oK, T = Tp + dT una solucin lquida de composicin P se encuentra en

equilibrio con un slido FCC de composicin R. A temperatura justo por debajo

de Tp, T = Tp

dT las dos fases en equilibrio son un lquido de composicin P

y un slido de composicin Q. La transformacin peritctica invariante es

LquidoP + slido2R slido1Q

(6)

En el caso de cualquier aleacin de composicin entre P y Q la transformacin

(6) ocurre isotrmicamente hasta que se consuma todo el slido. En el caso de

las aleaciones de composicin entre Q y R la fase L ser la primera en

consumirse en (6)

Sintctico

Esta transformacin se observa en la figura 8k y que es muy raramente

observada en las aleaciones. Ejemplos K-Pb y K-Zn. En esta transformacin un

slido se descompone por calentamiento en dos soluciones lquidas

Miscibilidad slida con diferentes estructuras

Las regiones de miscibilidad analizadas corresponden a soluciones slidas de

la misma estructura cristalina pero con distintas solubilidades, de manera que

la energa libre de la fase slida gS se puede representar mediante una sola

funcin continua. En el caso del diagrama Cd-Pb (figura 12) las soluciones

slidas coexistentes son de distintas estructuras cristalinas y por lo tanto para

cada una de ella se debe calcular su gS

.

Fases Intermedias

Un ejemplo es la fase de la figura 13 que aparece en una regin intermedia

en torno a XAg = 0.5. As mismo se ha representado esquemticamente la

correspondiente curva de energa libre g cuyo mnimo ocurre cercanamente a

XAg = 0.5 y aumenta rpidamente lo que hace que esta fase aparezca sobre un

estrecho rango de composicin. La variacin de las funciones g de las fases

coexistentes con la temperatura hacen que los puntos de tangencia varen de

manera que el diagrama presenta un mximo en XAg

Otro ejemplo se muestra en la figura 14 para el sistema Na-Bi con las

representaciones de g para las fases Na

= 0.5, aunque no hay

razones termodinmicas para que se produzca en esta composicin.

0.75Bi0.25 (que es la forma equivalente

de Na3Bi)y Na0.50Bi0.50 y la solucin lquida a 700oC. Los puntos de tangencia

Q1 y Q2 de las tangentes comunes P1Q1 y P2Q2 son casi pero no exactamente

coincidentes. El rango de composicin de Na3Bi es muy estrecho pero nunca

cero y suele referrsele como un compuesto intermetlico (en realidad es un

compuesto inico). Las dos regiones bifsicas Na3Bi + L pasan por un mximo

a 775oC que se denomina punto de congruencia porque en ella cuando se

calienta el Na3Bi funde isotrmicamente formando una fase lquida de la misma

composicin tal cual lo hacen los metales puros. En cambio el compuesto NaBi

al calentarse a 446oC funde isotrmicamente pero incongruentemente

(formando una fase slida y una lquida). La fase Ag3

Mg() funde

peritcticamente, es decir incongruentemente.

DIAGRAMAS DE FASES BINARIOSSistemas binarios isomorfosDos sistemas mutuamente solubles al estado lquido y al estado slidoP + F = C + 2 = 4Sistemas isomorfos con mnimos y mximosSistema binario eutctico y eutectoide