DIAGRAMAS

Los diagramas de fases son representaciones gráficas –a varias temperaturas, presiones y composiciones- de las fases que están presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.

Parte de la información que se puede obtener a partir de ellos es la siguiente:

• Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas.

• Solubilidad de un elemento o compuesto en otro.

• Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificación.

• Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases.

b) La figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del agua. Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida o gaseosa en función de las condiciones de presión y temperatura. En el diagrama se observa un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en el que coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las fases líquida y sólida existen a lo largo de la línea de solidificación. Estas líneas son líneas de equilibrio entre las dos fases.

A presión constante y a medida que aumenta la temperatura el agua pasa de la fase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que tiene lugar este cambio de fase es la temperatura de fusión. Si continua aumentando la temperatura habrá un segundo cambio de fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es la temperatura de vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincide para varias presiones con la línea de solidificación y vaporización respectivamente.

Figura 2.1 Diagrama de equilibrio de fases para el agua pura

La figura 2.2 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del hierro puro. El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3) vapor, Fe γ y Fe α.

Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe δ a la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase producirá la transformación de la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A 910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a temperatura ambiente.

Figura 2.2 Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro.

Aleaciones metálicas. Definición y utilidad.

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Los metales se caracterizan, en general, por tener una elevada conductividad (eléctrica y térmica), resistencia mecánica, por ser opacos, fundir a temperaturas elevadas, etc. Estas y otras propiedades hacen de los metales los materiales más comúnmente utilizados en la industria. No obstante, pocas veces se utilizan los metales en estado puro, normalmente se mezclan con otros metales o elementos no metálicos formando aleaciones.

Las aplicaciones técnicas de los metales exigen frecuentemente que se les otorguen unas propiedades diferentes de las originarias. A veces se desea obtener una dureza y una resistencia mecánica mayor; otras veces, una mayor plasticidad que facilite la conformación; algunas veces se desea una mayor resistencia a la corrosión, etc. La formación de aleaciones permite modificar las propiedades de los metales: la resistencia mecánica de los metales mejora cuando son aleados.

Una aleación metálica es un producto obtenido a partir de la unión de dos o más elementos químicos (como mínimo uno de los dos debe ser un metal) y que, una vez formado, presenta las características propias de un metal.

La fabricación de aleaciones puede llegar a ser un proceso complejo dependiendo del número de constituyentes de la aleación que deban de añadirse al metal base (componente mayoritario) y de su proporción. Para conocer el comportamiento de la mezcla de acuerdo con las proporciones de los constituyentes de la aleación presentes, se utilizan los diagramas de equilibrio o diagramas de fase. Cuando se estudian aleaciones binarias (mezcla de dos metales) se construyen diagramas temperatura-composición en los que la presión se mantiene constante, normalmente a 1 atm. En dichos diagramas se representa la temperatura en el eje de ordenadas y la composición de la aleación, en tanto por ciento, en el de abcisas.

La constitución de una aleación a una determinada temperatura queda determinada por las fases presentes, la fracción en peso de cada una de ellas y por su composición. La estructura de la aleación se describe por el tamaño y forma de las fases presentes.

Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico de una aleación se considera como un componente. El cobre puro es un sistema de un solo componente mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema de dos componentes.

En algunos sistemas binarios metálicos, los dos elementos son completamente solubles entre sí tanto en estado sólido como líquido. En estos sistemas sólo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se les denomina sistemas isomorfos.

b) Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema cobre-níquel. El cobre y el níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido. En el diagrama de la figura 2.3 se muestra el diagrama de fases de este sistema en el que se representa la composición química de la aleación en tanto por ciento en peso en abcisas y la temperatura en °C en ordenadas. Este diagrama se ha determinado bajo condiciones de enfriamiento lento y a presión atmosférica y no tienen aplicación para aleaciones que sufren un proceso de enfriamiento rápido. El área sobre la línea superior del diagrama, línea de líquidus, corresponde a la región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la línea inferior, línea sólidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.

Figura 2.3 Diagrama de fases del cobre-níquel

Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en fase sólida, en fase sólida+líquida y en fase totalmente líquida según la proporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinada proporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cual toda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en donde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperatura a partir de la cual toda la aleación esté líquida.

En la tabla inferior se muestran un número de elementos con su estructura cristalina y radio atómico. ¿Qué parejas se espera que tendrán solubilidad total en estado sólido entre sí?

Estructura cristalina Radio atómico, nm Estructura cristalina Radio atómico, nm

Plata FCC 0,144 Plomo FCC 0,175

Paladio FCC 0,137 Wolframio BCC 0,137

Cobre FCC 0,128 Rodio FCC 0,134

Oro FCC 0,144 Platino FCC 0,138

Níquel FCC 0,125 Tántalo BCC 0,143

Aluminio FCC 0,143 Potasio BCC 0,231

Sodio BCC 0,185 Molibdeno BCC 0,136

a) Los elementos que se disuelven completamente entre sí, normalmente satisfacen una o más de las condiciones formuladas por el metalúrgico inglés Hume-Rothery conocidas como reglas de solubilidad de sólidos de Hume-Rothery:

- La estructura cristalina de cada elemento de la solución sólida debe ser la misma.

- El tamaño de los átomos de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más de un 15%.

- Los elementos no deben formar compuestos entre sí; esto es, no debería haber diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos elementos.

- Los elementos deben tener la misma valencia.

No todas las reglas de Hume-Rothery son aplicables siempre para todas las parejas de elementos que presentan solubilidad total en estado sólido.

b) Si atendemos a la primera de las reglas de Hume-Rothery se esperaría que todos aquellos elementos con estructura cristalina FCC fueran solubles entre sí como también todos aquellos con estructura cristalina BCC.

Entre los elementos con estructura FCC podríamos esperar con mayor seguridad que tuvieran solubilidad total parejas de elementos como por ejemplo el rodio y el paladio, el cobre y el níquel, el oro y el aluminio, el platino

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