UNIDAD II: Sexta Semana
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O DE FASES
1 Introducción
El entendimiento de los diagramas de fases de las aleaciones es de capital importancia porque existe una estrecha relación entre microestructura y propiedades mecánicas y porque el desarrollo de la microestructura de una aleación está relacionado con las características de su diagrama de fases. Por otro lado, los diagramas de fases aportan valiosa información sobre la fusión, el moldeo, la cristalización y otros fenómenos.
Las propiedades mecánicas de un material dependen de la estructura micrográfica que posea, en particular del tamaño de grano que posea y los microconstituyentes presentes. Por esto los ensayos para determinar la estructura metalográfica ocupan un lugar importante en los ensayos metalográficos.
2 Definiciones y conceptos fundamentales
Antes de interpretar y de utilizar fases (o de equilibrio) conviene establecer un conjunto de definiciones y de conceptos fundamentales relacionados con las aleaciones, las fases y el equilibrio. En esta discusión frecuentemente se emplea el término Componente, que es un metal y/o un compuesto que forma parte de una aleación. Por ejemplo, en un latón cobre-zinc, los componentes son el Cu y el Zn. También son términos comunes el Soluto y
Disolvente.
Otro término utilizado en este contexto es el de Sistema, y tiene dos significados. Por un lado, se refiere un cuerpo específico de un material considerado (ejemplo una cuchara de metal fundido), y, por otro lado, se relaciona con una serie de posibles aleaciones consistentes en los mismos componentes, pero sin referirse a las proporciones de los componentes de la aleación (ejemplo el sistema hierro-carbono).
Una disolución sólida consiste en átomos de dos tipos diferentes, los átomos del soluto ocupan posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la estructura cristalina disolvente.
Un sistema de aleaciones es la unión de dos o más metales en todas sus combinaciones posibles, es decir, considerando todas las concentraciones posibles del metal A con el metal B.
Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. Por
ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes.
Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase).
3 Reglas de Gibbs
Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de las Fases”, la cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por:
P + F = C + 2
Donde:
C = número de componentes del sistema P = número de fases presentes en el equilibrio
F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición)
En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y grados de libertad o varianza (F) para sistemas multicomponentes en equilibrio.
Ejemplo:
Para el punto de triple coexistencia (C en diagrama):
3 + F = 1 + 2
F = 0 (cero grados de libertad)
Como ninguna de las variables (presión, temperatura o composición) se puede cambiar manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto triple es un punto invariante.
Un punto de la curva de congelación sólido-líquido (B):
2 + F = 1 + 2
F=1 (un grado de libertad)
Una variable (T o P) se puede cambiar manteniendo aún un sistema con dos fases que coexisten.
4 Diagramas de Fases
Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en cada temperatura y composición de la aleación. La Figura No. 1 Diagrama de Fases de una
mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales.
A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:
1 Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2 Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un
elemento (o compuesto) en otro.
3 Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo
condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.
4 Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.
Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos se puede elaborar un diagrama de fases binario. Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada uno de los elementos, expresado en peso.
5 Sistema de Aleación Binarias Isomorfas
La curva superior en el diagrama de la Figura Nº 2 es la temperatura de liquidus para las distintas aleaciones, esto significa que la aleación debe calentarse por encima de ella para hacerla completamente líquida y que empezará a solidificarse cuando se la enfríe hasta la temperatura marcada por liquidus. La temperatura de solidus es generalmente la curva inferior. Una aleación no estará totalmente sólida sino hasta que se enfríe por debajo de la temperatura de solidus. La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango de solidificación. Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y otra sólida.
En algunos sistemas binarios metálicos, los dos componentes son comple-tamente solubles entre sí, tanto en estado sólido como liquido. En estos sistemas sólo existe un único tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se llaman sistemas isomorfos. En relación a los dos elementos que se disuelven completamente entre si, normalmente satisfacen una o más de las siguientes condiciones formuladas por Hume-Rothery y conocidas como reglas de solubilidad de sólidos de Hume-Rothery:
1. Las estructuras cristalinas de cada elemento de la muestra deben ser iguales.
2. El tamaño de cada uno de los dos elementos no deben diferir en más del 15 por 100.
3. Los elementos no deben formar compuestos entre si. No debe haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los dos elementos.
Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema cobre-níquel. Un diagrama de fase de este sistema con la temperatura como ordenada y la composición química en tanto por 100 en peso, como abscisa, se muestra en la Figura Nº 3. El área sobre la línea superior del diagrama, llamada liquidus, corresponde a la región de estabilidad de la fase líquida, y el área por debajo de la línea inferior, o solidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región de dos fases donde liquido y sólido coexisten.
Figura Nº 2: Diagrama de Fase de los elementos A y B
Figura Nº 3: Diagrama de Fases de Cobre - Niquel
En la región entre las líneas liquidus y solidus, ambas fases existen. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.. Puesto que esta aleación contiene las fases líquida y sólida a 1300 ºC, ninguna de estas fases puede tener la composición promedio de 53 % Ni y 47 % Cu.
Ejemplo: Consideremos una aleación de 53 % en peso en Ni, 47 % en peso en Cu a 1300 ºC tal como se observa en la figura anterior y determine: a) Fases Presentes b) composición de cada fase c) Cantidad de las Fases
Solución:
a) Utilizando el diagrama se observa que la aleación se encuentra en una región bifásica: Sólida y Liquida.
b) La composición de las fases líquida y sólida se puede determinar al dibujar una isoterma desde la línea de liquidus a la de solidus a 1300 ºC, y luego bajar verticales hasta el eje horizontal de las composiciones. La composición de la fase líquida (wL) a 1300 ºC es
45 % en peso de Ni y la de la fase sólida (wS) es del 58 % en peso de
Ni, como indica la intersección de las líneas verticales de trazos con el eje de composición.
c) La cantidad de las fases se determina por aplicación de la Regla de la Palanca, tal como sigue:
L S L o S L S o S L
w
w
w
w
x
w
w
w
w
x
−
−
=
−
−
=
El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para un producto metálico. Varias combinaciones de dos elementos producen diagramas de fase complejos que contienen reacciones que implican tres fases independientes. Existen cinco reacciones de tres fases de mayor importancia en los diagramas binarios y son: eutéctica, peritéctica, monotéctica, eutectoide y peritectoide.
Las reacciones eutectoide y peritectoide son exclusivas del estado sólido. La reacción eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones, incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta y produce indeseables estructuras fuera de equilibrio.
6 Reacciones Invariantes.
Son aquellos cambios de fase que tienen lugar a temperatura constante.
Para que este tipo de reacciones pueda darse en un sistema binario será preciso que, según la Ley de Gibbs, haya tres fases en equilibrio.
Entre ellas están la constancia de temperatura durante la solidificación eutéctica formada por dos compuestos insolubles entre sí. Otro tanto ocurre cuando una fase líquida reacciona con otra fase sólida para producir otra fase sólida diferente (reacción peritéctica), o cuando una fase líquida origina otra fase líquida y una sólida (reacción monotéctica), o cuando dos líquidos reaccionan para dar un sólido (reacción sintéctica). En los sistemas binarios pueden producirse además, otros tipos de reacción invariante, por ejemplo transformaciones en que todas las fases en equilibrio son sólidas (reacción eutectoide, peritectoide, entre otras.)
Un resumen de estas reacciones invariantes se presenta en la Figura Nº 4
Figura Nº 4: Reacciones invariantes mas importantes en los diagramas binarios
eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se segregan para formar regiones de los metales originales casi puros.
Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fases insolubles inhibe el deslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de estas aleaciones llegan a sobrepasar las de los metales componentes, debido a la estructura compuesta de la aleación.
Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuya
composición es menor que la correspondiente a las eutécticas, así como aquellas cuyo contenido es mayor son llamadas hipereutécticas.
