Diagrama de Fases
Una Fase es
una región macroscópicamente homogénea que difiere en estructura y/o
composición de otra región.
Los Diagramas
de Fases (o Diagramas de Equilibrio) son representaciones gráficas de las fases
presentes en un sistema material a varias temperaturas, presiones y
composiciones. La información importante que podemos obtener a partir de los
diagramas de fases es:
1. Las fases presentes en el sistema a diferentes composiciones
y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).
2. La temperatura a la cual las diferentes fases
comienzan a fundirse.
3. La presencia de fenómenos de alotropía o
polimorfismo en estado sólido.
Diagrama de fases de un componente:
Una
sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólida, líquida y
gaseosa, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión.
Regla de Gibbs:
La regla
de las fases o regla de Gibbs permite obtener los grados de libertad (F)
posibles para mantener una situación de equilibrio en un sistema material, en
base al número de sus componentes (C) y fases presentes (P), teniendo en cuenta
la existencia de dos variables termodinámicas independientes, usualmente
presión y temperatura.
La regla
se expresa por la relación:
F + P = C
+ 2
A presión
constante (1 atmósfera): F + P = C + 1 (regla de fases condensada)
Sistemas de aleación binarios isomorfos:
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.
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.
Regla de la palanca:
La regla
de la palanca es el método empleado para conocer el porcentaje en peso de
las fases "sólida y líquida" también "sólida y sólida" ,
presentes en una aleación de una cierta concentración cuando se encuentra a una
determinada temperatura.
El interés se
enfoca en las cantidades relativas de cada fase, presentes dentro de la
aleación. Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (%
peso), es una regla matemática para cualquier diagrama binario.
En regiones de
una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas,
sin embargo, se deberá calcular la cantidad de cada fase. Una técnica es hacer
un balance de materiales.
Para calcular
las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la
isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la aleación (punto
dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la fase cuya
cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener
la cantidad de dicha fase.
En general la
regla de la palanca se puede escribir de esta forma:
Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente)
Pasos para calcular las composiciones:
- Dibujar la isoterma
2. Encontrar
el largo del lado opuesto a la composición deseada:
2 3. Dividir el largo del opuesto por la isoterma:
3 4. El resultado se multiplica por 100.
Sistemas de aleaciones binarias eutécticas:
Al inicio del
blog, aprendimos a interpretar los diagramas de fase, usando como ejemplo sistemas
isomórficos binarios. En esta entrada vamos a estudiar los sistemas eutécticos
binarios en aleaciones.
Los diagramas
de fase eutécticos tienen algunas características especiales. En primer lugar,
aparecen tres regiones monofásicas: α, β y líquido. Para
entenderlo mejor observemos el sistema cobre-plata. El cobre y la plata
puros se consideran fases α y β, respectivamente.
La solubilidad
de cada una de estas fases sólidas es limitada:
La línea
que separa la solubilidad de las regiones α y α + β se
denomina línea solvus
La línea
que separa las fases α y α + L se denomina línea
solidus.
Para el caso
de la fase β existen también línea solvus y solidus
Como vimos
anteriormente, el diagrama nos permite determinar las fases existentes en la
aleación para una determinada temperatura, pero en este caso tenemos dos fases
sólidas α y β y la fase líquida.
En este tipo
de diagramas podemos observar un punto invariante E, donde para una
temperatura y composición determinada se produce la reacción eutéctica.
La solidificación de un eutéctico origina siempre un producto
bifásico, mientras que la de un componente puro origina una monofase.
El estudio del
eutéctico puede resultar complicado al principio, por lo que vamos a estudiar
el desarrollo microestructural para entender de una forma más gráfica
lo que sucede en las aleaciones eutécticas.
Para este caso
vamos a emplear el diagrama plomo-estaño.
