Diagramas De Fase

Índice

Introducción …………………………………………………………………………………………3

DIAGRAMAS DE FASES ..........................................................................................................................4

1 Introducción a los Diagramas de Fases ....... .................................................................................4

2 Diagrama de Fases de un solo Componente ...................................................................................4

2.1 Curva de Enfriamiento de un componente puro ......................................................................... 5

3 Diagrama de Fases Binarios ............................................................................................................6

3.1 Sistemas Isomorfos Binarios ..................................................................................................... 5

3.1.1 Interpretación de los diagramas de fases ............................................................................ 11

3.1.2 Desarrollo de microestructuras en aleaciones isomorfas ..................................................... 12

3.1.3 Curvas de Enfriamiento de Sistemas Isomorfos ................................................................16

3.2 Sistemas Eutécticos Binarios ....... ............................................................................................17

3.2.1 Desarrollo de microestructuras en aleaciones eutécticas ....................................................18

3.2.2 Curvas de enfriamiento de Sistemas Eutécticos ................................................................23

3.3 Sistemas con Compuestos Intermedios. ....................................................................................24

3.4 Sistemas Binarios con Reacciones de tres Fases .......................................................................25

4 Regla de las Fases de Gibbs ..........................................................................................................26

Introducción

Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio, siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales; debido a que aportan valiosa información sobre la fusión, el moldeo, la cristalización y otros fenómenos.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. Por otra parte, los diagramas de fases son de gran importancia pues apoyan, entre otros, estudios de solidificación, microestructura, metalurgia física y el "diseño de nuevos materiales".

La ciencia de los materiales surgió después de la Segunda Guerra Mundial, como respuesta a la necesidad de producir materiales con propiedades especializadas. Los primeros intentos de modificar científicamente las propiedades de la materia se remontan a principios del siglo pasado, cuando los conocimientos de cristalografía, estado sólido y física atómica convirtieron el arte de la metalurgia en ciencia. De allí parte la creación de nuevas aleaciones, como el acero, que es el resultado de la aleación de hierro y carbono en diferentes proporciones. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Es utilizado, por ejemplo, en construcción, cascos de barcos, maquinaria, carrocería de automóviles, equipos químicos, etc.

El acero se calienta a una temperatura determinada, se mantiene a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forma la estructura deseada y entones se enfría a una velocidad conveniente, dependiendo del tratamiento térmico que le sea aplicado, adquiriendo así, gran flexibilidad y dureza.

La técnica de enfriado (tratamiento térmico), como se menciono anteriormente, consiste en someter al material a determinada temperatura y enfriarlo con cierta velocidad. Los factores temperatura-tiempo dependen del material, tamaño y forma de la pieza. De esta manera se conseguirá una modificación microscópica, transformaciones de tipo físico, cambios de composición o una determina estructura interna las propiedades de a cual permitirán alguno de los objetivos buscados, como aumentar la dureza, mejor mecanizado, eliminar tensiones internas, evitar deformaciones, etc. Los principales tratamientos térmicos son: temple, recocido, revenido y normalizado.

DIAGRAMAS DE FASES

1 Introducción a los Diagramas de Fases

Gran parte de la información acerca del control de la estructura de las fases en un determinado sistema se presenta de manera simple y concisa en lo que se denomina un diagrama de fases, también denominado diagrama de equilibrio.

Existen tres parámetros controlables externamente que afectan la estructura de las fases: temperatura, presión y composición. Los diagramas de fases se construyen graficando diferentes combinaciones de estos parámetros.

Conceptos Básicos

Componente: Los componentes son metales puros, compuestos o ambos, de los cuales se compone una aleación. Por ejemplo, en un latón Cu-Zn, los componentes son cobre y zinc.

Sistema: Puede hacer referencia a dos significados. En primer lugar, puede referirse a un cuerpo específico de material en estudio (por ejemplo, una cuchara de acero fundido). O bien, puede referirse a una serie de posibles aleaciones de los mismos componentes, pero sin considerar la composición de la aleación (por ejemplo, el sistema hierro-carbono).

Soluto: Componente o elemento de una disolución presente en una composición menor. Se disuelve en el disolvente.

Solvente: Componente o elemento de una disolución presente en una composición mayor. El solvente disuelve al soluto.

Limite de solubilidad: Es la concentración máxima de soluto que se puede añadir sin que se forme una nueva fase.

Disolución sólida: Consiste en átomos de por lo menos dos tipos diferentes, en donde los átomos de soluto ocupan posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente, conservando la estructura

cristalina del disolvente.

Fase: Es una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes. Todo material puro es de una fase (monofásico), al igual que cualquier disolución sólida, líquida o gaseosa. Por ejemplo, una disolución líquida de azúcar en agua es de una sola fase. Una disolución sobresaturada de azúcar en agua tiene dos fases: azúcar (sólida) y la solución de azúcar en agua (líquida). También, una sustancia puede existir en dos o más formas polimórficas (por ejemplo, si tiene estructuras cúbica de cuerpo centrada y cúbica de caras centrada). Cada una de estas estructuras es una fase separada porque sus características físicas respectivas son diferentes.

Energía Libre: Es una propiedad termodinámica, función de la energía interna de un sistema y su entropía (aleatoriedad o desorden de los átomos o moléculas del sistema).

Sistema en Equilibrio: Un sistema se dice que está en equilibrio si su energía libre es mínima, para una

combinación específica de presión, temperatura y composición. Desde el punto de vista macroscópico, significa que las características del sistema no cambian con el tiempo. Es decir, el sistema es estable. Un cambio de temperatura, presión y/o composición en un sistema en equilibrio, conducirá a un aumento en la energía libre y a un posible cambio espontáneo a otro estado de menor energía libre.

Equilibrio metaestable: En algunos sistemas sólidos, la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio (estado de mínima energía) es tan lenta que no siempre se logra en un tiempo razonable. En estos casos, y a los fines prácticos, el sistema logra un equilibrio “metaestable” que puede persistir indefinidamente, o bien, experimentan cambios muy ligeros o casi imperceptibles a medida que pasa el tiempo. Un ejemplo de equilibrio metaestable es el diamante (la forma estable es el grafito).

Microestructura: Se refiere a la estructura que se revela por observación microscópica directa, por

medio del microscopio óptico o electrónico. Una microestructura se caracteriza por el número de fases presentes, sus proporciones y la manera en que se distribuyen. La microestructura de una aleación depende de: elementos aleantes presentes, concentraciones, temperatura y tratamiento térmico de la aleación.

2 Diagrama de Fases de un solo Componente

Los diagramas de fases de esta sección corresponden para una sustancia pura (la composición se mantiene constante). Esto significa que las únicas variables de interés son la presión y la temperatura. Por ello, estos diagramas se conocen como diagrama P-T.

El diagrama P-T del agua se muestra en la Figura 1, donde se observan regiones para tres fases diferentes: sólido, líquido y vapor. Cada una de las fases existe en condiciones

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