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DIAGRAMA DE FASE
Lima, abril del 2014
Dr. Ingº FORTUNATO ALVA DAVILA
DIAGRAMA DE FASE
Una fase es una región que difiere en su
microestructura y/o composición, con respecto de
otra región.
Los diagramas de fase, son representaciones gráficas
de las fases que existen en un sistema de materiales a
varias temperaturas, presiones y composiciones.
Los diagramas, en su mayoría, se han construido en
condiciones de equilibrio2, y son utilizados por los
ingenieros y científicos para entender y predecir el
comportamiento de los materiales.
Condiciones de equilibrio2
Los diagramas de equilibrio de fase:
Se determina mediante la aplicación de
condiciones de enfriamiento lento.
En la mayoría de los casos se consigue una
aproximación al equilibrio, pero nunca se
alcanza completamente.
DIAGRAMA DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS
Una sustancia pura, como el agua puede existir en
las fases sólida, líquida y vapor, según sean las
condiciones de temperatura y presión.
Un ejemplo muy conocido de dos fases de una
sustancia pura en equilibrio, es un vaso con agua
que contiene unos cubos de hielo.
En este caso, el agua, sólida y líquida, da lugar a dos
fases distintas separadas por una fase límite, la
superficie de los cubos del hielo.
Durante la ebullición del agua, el agua líquido y el agua vaporizada constituyen dos fases en equilibrio.
En la figura 2.1 se muestra una representación gráfica de las fases del agua que existen bajo diferentes condiciones de presión y temperatura
DIAGRAMA DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS
Figura.2.1 Diagrama de fases en equilibrio presión- temperatura PT aproximado, para el agua pura
En el diagrama de fases presión-temperaturas (PT) del
agua, existe un punto triple a baja presión (4,579 torr) y
baja temperatura (0,01°C) donde coexisten las fases
sólida, líquida y vapor.
La fase líquida y vapor
se dan a lo largo de la
línea de vaporización
y la fase líquida y sólida
a lo largo de la línea de
congelación, como se
muestra en la fig.2.1
DIAGRAMA DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS
Fig.2.2 Diagrama de fases en equilibrio presión-temperaturaPT aproximado, para el hierro puro
Diagrama de fase de equilibrio PT del hierro puroSe muestra en la fig.2.2. Una diferencia fundamental de ese diagrama de fase es que tiene tres fases sólidas distintas y separadas: alfa (α) Fe, gamma () Fe, y delta () Fe. El hierro alfa y el hierro delta tienen estructuras cristalinas BCC. Mientras el hierro gamma tiene una estructura FCC. Los límites de fase en el estado sólido tienen lasmismas propiedades que los límites de las fases líquida y sólida.
Bajo condiciones de equilibrio, el hierro alfa y gamma pueden
existir a una temperatura de 910°C y 1 atmósfera de
presión. Por encima de 910°C sólo existe la fase sencilla
gamma, y por debajo de 910°C, sólo existe la fase sencilla alfa
(fig.2.2).
Hay también tres puntos
triples en el diagrama PT
del hierro donde coexisten
las tres fases diferentes:
1) líquido, vapor y Fe
2) vapor, Fe y Fe, y
3) vapor, Fe y αFe.
Diagrama de fase de equilibrio PT del hierro puro
REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
d) A partir de consideraciones termodinámicas, J.W. Gibbs, obtuvo una ecuación para calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación, llamada Regla de las fases de Gibbs, es:
P + F = C + 2Donde: P = Nº de fases en el sistema.
C = Nº de componentes en el sistema.F = Grados de libertad
C, es un elemento, un compuesto o una solución en el sistema. F, son los grados de libertad, es decir, el número de variables (presión, temperatura y composición).
Ejemplo 1, aplicando la regla de Gibbs al diagrama de fases presión – temperatura PT del agua pura (figura 2.1). En el punto triple coexisten tres fases en equilibrio y como hay un componente en el sistema (agua), se puede calcular el número de Grados de libertad:
P + F = C + 23 + F = 1 + 2F = 0 (cero gra. libertad)
Esto significa que, como ninguna de las variables (presión o temperatura) se puede cambiar, manteniendo el equilibrio al punto triple se le llama punto invariante. Fig.2.11
REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
rU
rU
Ejemplo 2, considerando ahora un punto en la curva de congelación sólido-líquido de la figura 2.1. En cualquier punto de esa línea hay dos fases que coexisten. Así, aplicando la regla de las fases.
P + F = C + 22 + F = 1 + 2F = 1 (un grado de libertad)
Este resultado indica que hay un grado de libertad y, por tanto, una variable (T o P) puede cambiarse de forma independiente, manteniendo un sistema con dos fases que coexisten. En consecuencia, si se especifica una presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases sólida y líquida coexisten.
REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
-
Ejemplo 3, otro caso, considérese un punto, dentro de una
fase única, en el diagrama de fases PT del agua. En ese caso
sólo habrá una fase presente (P = 1), y sustituyendo en la
ecuación de la regla de las fases:
P + F = C + 2
1+F = 1 + 2
F = 2 (dos grados de libertad)
REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
Los diagramas de fase binarios utilizados en la ciencia de los materiales son, en su mayoría, diagramas temperatura-composición, en los que la presión se mantiene constante, por lo general a 1 atm.
CURVAS DE ENFRIAMIENTOUna curva de enfriamiento se obtiene al registrar la temperatura de un material y compararla con el tiempo a medida que se enfría desde una temperatura en la cual se funde, mediante solidificación y, finalmente, a temperatura ambiente. Las curvas de enfriamiento pueden emplearse para determinar las temperaturas de transición de las fases tanto para metalespuros como para aleaciones.
Figura 2.3 Curva de enfriamiento para un metal puro
En la fig.2.3, se muestra la curva de enfriamiento para un
metal puro. Si se permite que el metal se enfríe en
condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), su
temperatura cae continuamente a lo largo de la línea AB de la
curva.
En la región BC, el metal está en forma de mezcla de fases
sólidas y líquidas. A medida que se acerca al punto C, la
fracción de peso del sólido de la mezcla aumenta hasta que
termina la solidificación.
La temperatura permanece constante porque hay un equilibrio
entre la pérdida de calor de metal por el molde y el calor
latente suministrado por el metal que se solidifica.
CURVAS DE ENFRIAMIENTO
CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE HIERRO PURO
La curva de enfriamiento también puede proporcionar información relativa a la transformación de las fases de estado sólido en los metales.
Figura 2.4 Curva de enfriamiento para hierro puro a una presión de 1 atm
La curva de enfriamiento del hierro puro
La curva de enfriamiento del hierro puro en condiciones de
presión atmosférica (P = 1 atm) muestra una temperatura de
congelación de 1538°C, donde se forma un sólido de
estructura BCC a alta temperatura denominado hierro ,fig.2.4
Con enfriamiento adicional, a una temperatura de
1394°C, la curva de enfriamiento muestra una segunda
meseta. A esta temperatura ocurre una transformación
de fase sólida-sólida de BCC ferrita a un sólido
FCC llamado hierro (transformación polimórfica).
Con más enfriamiento, tiene lugar una segunda transformación
de fase sólida-sólida a una temperatura de 912°C. En esta
transformación el hierro FCC vuelve a tomar una estructura
de hierro BCC llamado hierro . Esta transformación de
fase sólida-sólida tiene importantes implicaciones
tecnológicas en la industria de elaboración del acero.
La curva de enfriamiento del hierro puro
POLIFORMISMO o ALOTROPIA.-
Se llama así, cuando los elementos y compuestos existen en
más de una forma cristalina en diferentes condiciones de
temperatura y presión. Ejemplo: hierro, titanio, cobalto,
litio, sodio, calcio, etc.
La curva de enfriamiento del hierro puro
SISTEMAS DE ALEACIONES BINARIAS ISOMÓRFICAS
Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y
constituye un sistema bicomponente, dado que cada elemento
metálico de una aleación se considera como un componente
separado.
El cobre puro es un sistema monocomponente, mientras que
una aleación de cobre y níquel es un sistema bicomponente.
Algunas veces, los aceros al carbono que contienen
principalmente hierro y carburo de hierro se consideran
sistemas bicomponentes.
Sistemas isomórficos.- Se llaman así, cuando los dos
elementos son completamente solubles entre sí tanto en
sus estados líquido como sólido.
En estos sistemas, sólo existe un tipo de estructura
cristalina para todas las composiciones de los componentes.
Para que los dos elementos tengan solubilidad sólida completa
entre sí, deben satisfacer una o más de las condiciones
formuladas por Hume-Rothery y que son:
La estructura cristalina de cada elemento de la
solución sólida debe ser la misma.
Los elementos deben tener la misma valencia
SISTEMAS DE ALEACIONES BINARIAS ISOMÓRFICAS
Ejemplo de un sistema de aleación binaria isomórfica es el sistema de cobre-níquel
En la figura 2.5 se muestra un diagrama de fases de este
sistema con la temperatura como ordenada y la
composición química en porcentaje de peso como
abscisa. Este diagrama se ha determinado para condiciones
de enfriamiento lento (equilibrio) a presión
atmosférica.
El área por encima de la línea superior del diagrama,
llamado:liquidus, corresponde a la región de estabilidad de
la fase líquida y el área por debajo de la línea inferior,
llamado:solidus, representa la región de estabilidad de la
fase sólida.
Sistema de cobre-níquel
La región entre el liquidus y el solidus representa una región bifásica donde coexisten la fase líquida y sólida.
Figura 2.5 Diagrama de fases del cobre-níquel.
Sistema de cobre-níquel
Para el diagrama de fases binario isomórfico de Cu y Ni,
de acuerdo con la regla de Gibbs (F = C – P + 1), a la
temperatura de fusión de los componentes puros, el
número de componentes C es 1 (ya sea Cu o Ni) y el
número de fases disponible P es 2 (líquida o sólida),
dando un grado de libertad de 0 (F = 1 – 2 + 1 = 0).
Estos puntos se denominan puntos invariantes (F = 0).
Esto significa que cualquier cambio de temperatura
modificará la microestructura, ya sea a sólida o
líquida.
En las regiones monofásicas (líquida o sólida), el
número de componentes, C, es de 2, y el número de
fases disponibles, P, es 1, lo que da por resultado un
grado de libertad de 2 (F = 2 - 1 + 1 = 2). Esto significa
que se puede mantener la microestructura del
sistema en esta región, mediante la variación ya sea
de la temperatura o de la composición de manera
independiente.
Sistema de cobre-níquel
Sistema de cobre-níquel
En la región bifásica, el número de componentes, C, es de 2,
y el número de fases disponibles, P, es de 2, lo que da por
resultado un grado de libertad de 1 (F = 2 – 2 + 1 = 1). Esto
significa que sólo una variable (ya sea temperatura o
composición) puede modificarse independientemente del
tiempo que se mantiene la estructura bifásica del sistema. Si
se modifica la temperatura, la composición de las fases
también cambiará.
Sistema de cobre-níquel
En la región monofásica de la solución sólida α, tanto la
temperatura como la composición de la aleación deben
especificarse a fin de localizar un punto en el diagrama de
fases. Por ejemplo, la temperatura de 1050°C y 20% de Ni,
especifican el punto a en el diagrama de fases Cu-Ni de la
figura 2.5. La microestructura de la solución sólida α a esta
temperatura y composición parece como la misma que la de un
metal puro. Sin embargo, dado que la aleación es una solución
sólida de 20% de Ni en cobre, la aleación tendrá mayor dureza
y resistividad eléctrica que el cobre puro.
En la región entre las líneas liquidus y solidus, existen
tanto fases líquidas como sólidas. La cantidad de
cada fase presente depende de la temperatura y de la
composición química de la aleación. Considerando una
aleación de 53% en peso de Ni- 47% en peso de Cu
a 1300ºC en la fig.2.5. Las composiciones de las fases
líquidas y sólidas a 1 300ºC pueden determinarse
trazando un línea de enlace horizontal a 1 300ºC desde
la línea de liquidus hasta la línea de solidus, y luego
trazando líneas verticales hacia el eje horizontal de la
composición.
Sistema de cobre-níquel
La composición de la fase líquida (wl) a 1300°C contiene 45% en peso de Ni y la de la fase sólida (ws) es 58% en peso de Ni, como lo indica la intersección de las líneas verticales punteadas con el eje de la composición.
Sistema de cobre-níquel
Figura 2.5 Diagrama de fases del cobre-níquel
Diagramas de fases binarios de equilibrio
Para los componentes solubles entre sí en el estado sólido, pueden construirse a partir de una serie de curvas de enfriamiento de líquido-sólido, como el sistema Cu-Ni de la fig.2.6. Las curvas de enfriamiento para los metales puros muestran confinamientos térmicos horizontales en sus puntos de congelación, ver fig.2.6(a) en AB y CD
Figura 2.6. Construcción del diagrama de fases en equilibrio del Cu-Ni a partir de las curvas de enfriamiento líquido-sólido. (a) Curvas de enfriamiento y (b) diagrama de fases en equilibrio
Diagramas de fases binarios de equilibrio
Las soluciones sólidas binarias muestran cambios de
pendiente en sus curvas de enfriamiento en las líneas liquidus
y solidus, ver la fig.2.6(a), a composiciones de 80% Cu -20%
Ni, 50% Cu-50% Ni, y 20% Cu-80% Ni. Los cambios de
pendiente en L1, L2 y L3 de la fig.2.6(a) corresponden a los
puntos liquidus L1, L2 y L3 de la fig.2.6(b). De manera similar,
los cambios de pendiente de S1, S2 y S3 de la fig.2.6(a)
corresponden a los puntos de la línea solidus de la S1, S2 y S3
de la fig.2.6(b).
DefinicionesCalor latente: Se define como la cantidad de calor que necesita una sustancia para pasar del estado sólido a líquido o de líquido a gas sin cambio de temperatura.
En el caso del agua, el calor latente de fusión del hielo se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de hielo para pasar del estado sólido al líquido manteniendo la temperatura constante en el punto de fusión (273 k).
Calor latente de fusión del hielo a 0 0C, 80 cal/g
Calor latente de evaporación del agua a 100 0C, 540 cal/g