Diagramas de Fases

Introducción

Introducción

El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma 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 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 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 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 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 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 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 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). Los propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema.

compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema.

El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de fases).

ejemplos de diagramas de fases).

La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio La 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 (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales.

y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales.

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como: A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo 1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento ( o 2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento ( o compuesto) en otro

compuesto) en otro

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de 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.

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. 4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

1. Fundamentos de diagramas de fa

1. Fundamentos de diagramas de fases al equilibrio

ses al equilibrio

Equilibrio químico Equilibrio químico

Para un sistema a P, T y composición dada, el equilibrio queda dado por G mínimo, con Para un sistema a P, T y composición dada, el equilibrio queda dado por G mínimo, con G=H-TS. G mínimo considera los factores de orden (enlaces (entalpía, H)) y de desorden G=H-TS. G mínimo considera los factores de orden (enlaces (entalpía, H)) y de desorden (Entropía (S) y Temperatura (T)).

(Entropía (S) y Temperatura (T)).

Variables intensivas: son aquellas que no dependen del tamaño del sistema. Variables intensivas: son aquellas que no dependen del tamaño del sistema.

Las variables intensivas son: la composición, la temperatura y la presión. Nótese que estas Las variables intensivas son: la composición, la temperatura y la presión. Nótese que estas variables aparecen en la especificación de equilibrio químico.

variables aparecen en la especificación de equilibrio químico.

Variables extensivas: son aquellas que sí dependen del tamaño (extensión, masa) del Variables extensivas: son aquellas que sí dependen del tamaño (extensión, masa) del sistema.

sistema.

Ejemplos: calor, volumen, energía interna, energía libre de Gibbs. Frecuentemente para Ejemplos: calor, volumen, energía interna, energía libre de Gibbs. Frecuentemente para especificar estas variables se precisa el tamaño del sistema, por ejemplo: un mol.

especificar estas variables se precisa el tamaño del sistema, por ejemplo: un mol.

Diagrama: es una representación, en este caso de las fases presentes bajo condiciones de Diagrama: es una representación, en este caso de las fases presentes bajo condiciones de equilibrio químico, en función de las variables intensivas del sistema. Cuando las variables equilibrio químico, en función de las variables intensivas del sistema. Cuando las variables intensivas no son muy numerosas se procura e

intensivas no son muy numerosas se procura emplear una representación gráfica.mplear una representación gráfica.

Solubilidad: Cantidad de material que se disolverá completamente en un segundo Solubilidad: Cantidad de material que se disolverá completamente en un segundo material, sin crear una segunda fase.

material, sin crear una segunda fase.

Solución sólida: Fase sólida que contiene una mezcla de más de un elemento los cuales se Solución sólida: Fase sólida que contiene una mezcla de más de un elemento los cuales se combinan para presentar una composición uniforme en

2. Regla de las Fases de Gibbs

2. Regla de las Fases de Gibbs

En 1875 J. Willaid

En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases (P), Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y grados decomponentes(C), y grados de libertas o varianza (V) para sistemas multicomponentes en equilibrio. El número de grados de libertas o varianza (V) para sistemas multicomponentes en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración. Entonces la llamada de la “Regla de las Fases”, queda expresada de presión y concentración. Entonces la llamada de la “Regla de las Fases”, queda expresada de siguiente manera. siguiente manera. 22 + + − − = = _{C C  PP} V  V  Donde: Donde:

C = número de componentes del sistema. Los componentes de un sistema es el menor C = número de componentes del sistema. Los componentes de un sistema es el menor número de constituyentes químicos independientemente, variables, necesario

número de constituyentes químicos independientemente, variables, necesario y suficiente paray suficiente para expresar la composición de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio

expresar la composición de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio

P = número de fases presentes en el equilibrio. Las fases es cualquier fracción, incluyendo P = número de fases presentes en el equilibrio. Las fases es cualquier fracción, incluyendo la totalidad, de un sistema que es físicamente homogéneo en si mismo y unido por una

la totalidad, de un sistema que es físicamente homogéneo en si mismo y unido por una

superficie que es mecánicamente separable de cualquier otra fracción. Una fracción separable superficie que es mecánicamente separable de cualquier otra fracción. Una fracción separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un líquido dispersado en otro.

puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un líquido dispersado en otro. - Un sistema compuesto por

- Un sistema compuesto por una fase es homogéneouna fase es homogéneo - Un sistema compuesto por

- Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneovarias fases es heterogéneo

Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los equilibrios heterogéneos.

equilibrios heterogéneos.

V = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, V = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición). Los grados de libertad es e

composición). Los grados de libertad es el número de variables intensivas que l número de variables intensivas que pueden serpueden ser

alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de una alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura y nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura y composición. También se define con el número de factores variables.

composición. También se define con el número de factores variables. F=0 indica invariante F=0 indica invariante F=1 univariante F=1 univariante F=2 bivariante F=2 bivariante

La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: 1.- Equilibrio homogéneo en cada fase

1.- Equilibrio homogéneo en cada fase

2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes 2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes

La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes, sino que depende sólo del número. Además no da información con respecto a la presentes, sino que depende sólo del número. Además no da información con respecto a la velocidad de reacción y nos restringe que

velocidad de reacción y nos restringe que los grados de libertad (V) no pueden slos grados de libertad (V) no pueden ser inferiores aer inferiores a cero (a condiciones invariantes).

cero (a condiciones invariantes).

Ahora si analizamos los sistemas m

Ahora si analizamos los sistemas metalúrgicos la mayoría ser realizan etalúrgicos la mayoría ser realizan todo a presióntodo a presión constante (presión atmosférica) con es

constante (presión atmosférica) con esto en la Regla de fases Gibbs to en la Regla de fases Gibbs se suele escribrir como:se suele escribrir como:

P P C  C  V  V == ++11−− Donde

Donde anteriormente el numanteriormente el numero dos correspondía a ero dos correspondía a las variables de temlas variables de temperatura yperatura y presión, pero como la presión

presión, pero como la presión de sistema es constante el numero dode sistema es constante el numero dos se cambia por el uno.s se cambia por el uno. Siendo

Siendo las únicas vlas únicas variables ariables con cual pocon cual podemos identificar udemos identificar una sustancia sona sustancia son la temn la temperatura y laperatura y la composición.

composición.

La

La figura 2-1 figura 2-1 muestra muestra la regla de la regla de fase de Gibfase de Gibbs aplicada en bs aplicada en un simple siun simple sistema binario,stema binario, por ejemplo, para una mezcla en estado líquido necesitaríamos dos variables temperatura y por ejemplo, para una mezcla en estado líquido necesitaríamos dos variables temperatura y composición para identificar el punto, en tanto que para zona solidó-líquidos los grado de composición para identificar el punto, en tanto que para zona solidó-líquidos los grado de libertad es uno por lo tanto con la temperatura o composicion.

3. Regla de la Palanca

3. Regla de la Palanca

Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), es una Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), es una regla matemática valida para cualquier diagrama binario.

regla matemática valida para cualquier diagrama binario.

En regiones de una sola fase, la

En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas,100%. En regiones bifásicas, sin embargo, se deberá calcular la cantidad de cada fase. Una técnica es hacer un balance de sin embargo, se deberá calcular la cantidad de cada fase. Una técnica es hacer un balance de materiales.

materiales.

Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la 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 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 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.

longitud total de la palanca, para obtener la cantidad de dicha fase.

En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguiente forma: En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguiente forma:

PORCENTAJE

PORCENTAJE DE DE FASE FASE = = brazo brazo opuesto opuesto de de palanca palanca x x 100100 Longitud local de la isoterma Longitud local de la isoterma

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de 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

fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de lusa el cálculo de la regla de la palanca a regla de la palanca puesto que lapuesto que la respuesta es obvia (existe un 100%

respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente).de dicha fase presente). Pasos para calcular las composiciones:

Pasos para calcular las composiciones: 1.

2.

2. Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada.Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada.

3.

3. Dividir el largo del opuesto por la isoterma:Dividir el largo del opuesto por la isoterma:

4.

4. Principio de Le Chatelier

4. Principio de Le Chatelier

Cuando un sistema no esta en equilibrio la Regla de las Fases no es aplicable y es el Cuando un sistema no esta en equilibrio la Regla de las Fases no es aplicable y es el Principio de Le Chatelier el que define l forma en que debe evolucionar el sistema. El principio Principio de Le Chatelier el que define l forma en que debe evolucionar el sistema. El principio de Le Chatelier establece que cuando la modificación de una de las variables altera el estado de de Le Chatelier establece que cuando la modificación de una de las variables altera el estado de equilibrio de un sistema, este evoluciona en el sentido de oponerse a la causa que lo modifica. equilibrio de un sistema, este evoluciona en el sentido de oponerse a la causa que lo modifica.

En los sistemas metalúrgicos, en los que la concentración de la aleación es conocida de En los sistemas metalúrgicos, en los que la concentración de la aleación es conocida de antemano, es la temperatura la variable que rige los cambios de equilibrio y el Principio de Le antemano, es la temperatura la variable que rige los cambios de equilibrio y el Principio de Le Chatelier se establece el la siguiente forma:

Chatelier se establece el la siguiente forma:

“Cuando se eleva la temperatura de un sistema en equilibrio tiene lugar la reacción que entraña “Cuando se eleva la temperatura de un sistema en equilibrio tiene lugar la reacción que entraña una absorción de calor, es decir, en el calentamiento toda reacción o transformación reversible una absorción de calor, es decir, en el calentamiento toda reacción o transformación reversible es endotérmica y, por el contrario, en el enfriamiento toda reacción es exotérmica”.

es endotérmica y, por el contrario, en el enfriamiento toda reacción es exotérmica”.

5. Lagunas De Miscibilidad

5. Lagunas De Miscibilidad

Uno de los fenómenos interesantes del equilibrio heterogéneo en sistemas condensados Uno de los fenómenos interesantes del equilibrio heterogéneo en sistemas condensados dice relación con la formación de lagunas de miscibilidad. (Ver figura 5.1)

dice relación con la formación de lagunas de miscibilidad. (Ver figura 5.1)

Cuando por razones esencialmente estructurales una fase condensada A no es capaz de Cuando por razones esencialmente estructurales una fase condensada A no es capaz de retener una determinada concentración de componentes B, puede dar lugar a una coexistencia de retener una determinada concentración de componentes B, puede dar lugar a una coexistencia de 2 fases condensadas de la misma naturaleza ( dos líquidos o dos sólidos) las cuales coexisten en 2 fases condensadas de la misma naturaleza ( dos líquidos o dos sólidos) las cuales coexisten en una zona que se llama zona o laguna de inmiscibilidad. El equilibrio de dos líquidos L1 y L2 una zona que se llama zona o laguna de inmiscibilidad. El equilibrio de dos líquidos L1 y L2 concluye a la temperatura del monotécnico M, donde ocurre la disociación:

Este tipo de equilibrios se

Este tipo de equilibrios se puede ilustrar en los sistemas Cu-Cu2SO, FeO-SiO2.puede ilustrar en los sistemas Cu-Cu2SO, FeO-SiO2.

Figura.5.1. laguna de Miscibilidad en fase líquida (zona L1 + L2) Figura.5.1. laguna de Miscibilidad en fase líquida (zona L1 + L2)

6. Construcción de diagrama de fase

6. Construcción de diagrama de fase binario

binario

En el enfriamiento de una aleación desde el estado líquido hasta temperatura ambiente se En el enfriamiento de una aleación desde el estado líquido hasta temperatura ambiente se producen una serie de transformaciones que corresponden al cambio de estado, producen una serie de transformaciones que corresponden al cambio de estado, transformaciones de fases, cambios de solubilidad, etc. Cada una de estas evoluciones del transformaciones de fases, cambios de solubilidad, etc. Cada una de estas evoluciones del sistema se verifica a una temperatura determinada, y si en lugar de estudiar una única aleación sistema se verifica a una temperatura determinada, y si en lugar de estudiar una única aleación binaria de los metales A y B se consideran todas las aleaciones que se pueden formar – de 0% a binaria de los metales A y B se consideran todas las aleaciones que se pueden formar – de 0% a 100% B – y se unen todas las temperaturas correspondientes a idénticas transformaciones, se 100% B – y se unen todas las temperaturas correspondientes a idénticas transformaciones, se habrá obtenido un diagrama temperatura-concentración en el que los lugares geométricos de los habrá obtenido un diagrama temperatura-concentración en el que los lugares geométricos de los diversos puntos singulares de igual naturaleza, definen los contornos de las zonas de estabilidad diversos puntos singulares de igual naturaleza, definen los contornos de las zonas de estabilidad de las distintas fases que se pueden formar con los metales A y B.

de las distintas fases que se pueden formar con los metales A y B.

En general un diagrama binario constará de diversos tipos de líneas, líneas de líquidos, En general un diagrama binario constará de diversos tipos de líneas, líneas de líquidos, líneas de sólidos y líneas de transformación. La línea de líquido es el lugar geométrico de las líneas de sólidos y líneas de transformación. La línea de líquido es el lugar geométrico de las temperaturas por encima de las que las diversas aleaciones se encuentran totalmente en estado temperaturas por encima de las que las diversas aleaciones se encuentran totalmente en estado líquido, mientras que la línea de sólidos corresponde al lugar geométrico de las temperaturas por líquido, mientras que la línea de sólidos corresponde al lugar geométrico de las temperaturas por debajo de las cuales las aleaciones están completamente solidificadas, Las líneas de debajo de las cuales las aleaciones están completamente solidificadas, Las líneas de transformación definen los cambios de fase en el estado sólido.

Para construir los diagramas de equilibrio deben obtenerse, como se ha visto, los puntos Para construir los diagramas de equilibrio deben obtenerse, como se ha visto, los puntos singulares que aparecen en el calentamiento o enfriamiento de las diversas aleaciones. Los singulares que aparecen en el calentamiento o enfriamiento de las diversas aleaciones. Los métodos más utilizados para la obtención de estos puntos son el análisis térmico y el análisis métodos más utilizados para la obtención de estos puntos son el análisis térmico y el análisis dilatométrico.

dilatométrico.

En el análisis térmico se construyen las curvas de enfriamiento de las aleaciones desde el En el análisis térmico se construyen las curvas de enfriamiento de las aleaciones desde el estado líquido a temperatura ambiente. Como cualquier evolución del sistema durante el estado líquido a temperatura ambiente. Como cualquier evolución del sistema durante el enfriamiento se traduce en un desprendimiento de calor, se produce una alteración respecto a la enfriamiento se traduce en un desprendimiento de calor, se produce una alteración respecto a la curva de enfriamiento temperatura-tiempo de un sistema que no sufra transformación alguna. curva de enfriamiento temperatura-tiempo de un sistema que no sufra transformación alguna.

La curva de enfriamiento de un cuerpo, que no sufre transformación alguna, cuando se La curva de enfriamiento de un cuerpo, que no sufre transformación alguna, cuando se enfría lentamente en un recinto isotermo cuya temperatura permanece constante y en el que el enfría lentamente en un recinto isotermo cuya temperatura permanece constante y en el que el intercambio de calor entre la muestra y el medio se hace por convección, es una exponencial intercambio de calor entre la muestra y el medio se hace por convección, es una exponencial llamada exponencial de Vant’Hoff.

llamada exponencial de Vant’Hoff.

En efecto la perdida de calor dQ de la muestra, de capacidad calorífica constante C, es En efecto la perdida de calor dQ de la muestra, de capacidad calorífica constante C, es proporcional a la diferencia de temperatura T entre la muestra y el recinto, luego para el tiempo proporcional a la diferencia de temperatura T entre la muestra y el recinto, luego para el tiempo dt será:

dt será:

dQ = KTdt dQ = KTdt

Durante el tiempo dt la variación dT de temperatura de la muestra es: Durante el tiempo dt la variación dT de temperatura de la muestra es:

dQ = -CdT dQ = -CdT por tanto: por tanto: KTdt = -CdT KTdt = -CdT dT/T

dT/T = = -K/Cdt -K/Cdt ; ; T=To T=To e^(-Kt/C)e^(-Kt/C)

Siendo To la diferencia de temperatura entre la muestra y el recinto para el instante inicial Siendo To la diferencia de temperatura entre la muestra y el recinto para el instante inicial y K una constante que depende de la morfología del sistema.

y K una constante que depende de la morfología del sistema.

Como los desprendimientos de calor que se producen en las transformaciones en estado Como los desprendimientos de calor que se producen en las transformaciones en estado sólido son pequeños respecto a los correspondientes al cambio de estado, las curvas T-t solo se sólido son pequeños respecto a los correspondientes al cambio de estado, las curvas T-t solo se utilizan realmente para determinar los puntos de sólidos y de líquidos, mientras que para los utilizan realmente para determinar los puntos de sólidos y de líquidos, mientras que para los

puntos de transformación en estado sólido se emplean las curvas diferenciales, que puntos de transformación en estado sólido se emplean las curvas diferenciales, que experimentan grandes anomalias para pequeñas alteraciones en la ley de enfriamiento.

experimentan grandes anomalias para pequeñas alteraciones en la ley de enfriamiento.

En el análisis térmico diferencial (A.T.D) consiste en calentar junto con la mezcla un En el análisis térmico diferencial (A.T.D) consiste en calentar junto con la mezcla un cuerpo inerte que no sufre transformación alguna hasta su fusión estudiando el proceso de cuerpo inerte que no sufre transformación alguna hasta su fusión estudiando el proceso de enfriamiento de ambas probetas. Mientras no existe transformación la temperatura de ambas enfriamiento de ambas probetas. Mientras no existe transformación la temperatura de ambas probetas es la misma, pero al producirse una transformación en la muestra, ésta desprende calor probetas es la misma, pero al producirse una transformación en la muestra, ésta desprende calor y su temperatura durante la transformación permanece superior a la del cuerpo inerte de y su temperatura durante la transformación permanece superior a la del cuerpo inerte de referencia. La diferencia d

referencia. La diferencia de temperaturas entre la me temperaturas entre la muestra y el cuerpo uestra y el cuerpo inerte inerte Tm- Ti, puedeTm- Ti, puede medirse por pares termoeléctricos.

medirse por pares termoeléctricos.

Con este procedimiento puede determinarse con gran exactitud las temperaturas a las que Con este procedimiento puede determinarse con gran exactitud las temperaturas a las que se verifican las diferentes transformaciones e, incluso, los calores que se desprenden en la se verifican las diferentes transformaciones e, incluso, los calores que se desprenden en la transformación.

transformación.

En la figura-6.1 se representan dos curvas – la absoluta y la diferencial – para la En la figura-6.1 se representan dos curvas – la absoluta y la diferencial – para la solidificación de un metal puro.

solidificación de un metal puro.

En general, dada la complejidad de los diagramas, deben usarse para su construcción no En general, dada la complejidad de los diagramas, deben usarse para su construcción no solo técnicas dilatométricas o de análisis térmicos, sino otras como las de difracción de rayos X, solo técnicas dilatométricas o de análisis térmicos, sino otras como las de difracción de rayos X, metalográficas, magnéticas, calorimétricas, etc.

metalográficas, magnéticas, calorimétricas, etc.

Figura 6.1. Muestra dos curvas de solidificaci Figura 6.1. Muestra dos curvas de solidificación.ón.

Con diagramas planos solo se puede reflejar los equilibrios de aleaciones binarias, siendo Con diagramas planos solo se puede reflejar los equilibrios de aleaciones binarias, siendo necesarios diagramas tridimensionales para el estudio de las aleaciones ternarias. Naturalmente, necesarios diagramas tridimensionales para el estudio de las aleaciones ternarias. Naturalmente, aleaciones más complejas no permiten representación espacial.

aleaciones más complejas no permiten representación espacial.

Los diagramas binarios se clasifican atendiendo a la solubilidad o insolubilidad en los Los diagramas binarios se clasifican atendiendo a la solubilidad o insolubilidad en los estados líquido y sólido entre

estados líquido y sólido entre los dos metales, pudiendo existir los siguientes los dos metales, pudiendo existir los siguientes casos:casos:

•

•Solubilidad total en estado líquido y sólidoSolubilidad total en estado líquido y sólido •

•Solubilidad total en estado líquido y parcial en estado sólidoSolubilidad total en estado líquido y parcial en estado sólido •

•Solubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólidoSolubilidad total en estado líquido e insolubilidad en estado sólido •

•Solubilidad parcial en estado líquido y sólidoSolubilidad parcial en estado líquido y sólido •

•Solubilidad parcial en estado líquido e insolubilidad en estado sólidoSolubilidad parcial en estado líquido e insolubilidad en estado sólido •

•Insolubilidad en estado líquido y sólidoInsolubilidad en estado líquido y sólido

A continuación se describen los diferentes casos suponiendo que no existen reacciones en A continuación se describen los diferentes casos suponiendo que no existen reacciones en estado sólido, que serán abordadas posteriormente para completar el estudio de los diagramas de estado sólido, que serán abordadas posteriormente para completar el estudio de los diagramas de equilibrio.

7. Diagramas de Solubilidad total en estado

7. Diagramas de Solubilidad total en estado líquido y sólido

líquido y sólido

El diagramas mas habitual de este tipo es el representado en la siguiente figura 7.1: El diagramas mas habitual de este tipo es el representado en la siguiente figura 7.1:

Figura 7.1. Diagrama de fase binario con solubilidad total Figura 7.1. Diagrama de fase binario con solubilidad total

Los metales A y B, de puntos de fusión Tfa y Tfb, respectivamente, solubles en estado Los metales A y B, de puntos de fusión Tfa y Tfb, respectivamente, solubles en estado líquido dan lugar por debajo de la línea de solidus a una solución sólida de sustitución única líquido dan lugar por debajo de la línea de solidus a una solución sólida de sustitución única αα..

Diagramas de este tipo se presentan en las aleaciones Cu-Ni; Cu-Pt; Cu-Pd; Ag-Au; etc. Diagramas de este tipo se presentan en las aleaciones Cu-Ni; Cu-Pt; Cu-Pd; Ag-Au; etc.

El diagrama tiene tres zonas características: la zona de temperaturas superiores a la línea El diagrama tiene tres zonas características: la zona de temperaturas superiores a la línea de liquidus en la que la única fase es el líquido homogéneo L; la zona bifásica intermedia entre de liquidus en la que la única fase es el líquido homogéneo L; la zona bifásica intermedia entre las líneas de liquidus y solidus en la que coexisten el líquido L y la solución sólida

las líneas de liquidus y solidus en la que coexisten el líquido L y la solución sólida αα..

Las zonas monofásicas son bivariantes pues

Las zonas monofásicas son bivariantes pues _V V == _C C ++11−− _F F == 22++11−−11== 22, mientras que, mientras que la zona bifásica – llamada habitualmente zona pastosa – es monovariante pues

la zona bifásica – llamada habitualmente zona pastosa – es monovariante pues 11 22 11 22++ −− == = = V  V 

Las curvas de enfriamiento absolutas, para

Las curvas de enfriamiento absolutas, para diversas aleaciones binarias como las 1,2 y 3,diversas aleaciones binarias como las 1,2 y 3, permiten determinar la evolución de las líneas de liquidus y solidus.

La siguiente figura-7.2 muestra las

La siguiente figura-7.2 muestra las curvas de enfriamiento absolutas para distintascurvas de enfriamiento absolutas para distintas aleaciones en un diagrama de solubilidad total.

aleaciones en un diagrama de solubilidad total.

Figura-7.2. diagrama de fase binario formado por

Figura-7.2. diagrama de fase binario formado por curvas de enfriamientos.curvas de enfriamientos.

Debe destacarse como las curvas de enfriamiento absolutas de las aleaciones 1, 2 y 3 Debe destacarse como las curvas de enfriamiento absolutas de las aleaciones 1, 2 y 3 presentan en la zona bifásica una anomalía con respecto a la exponencial de Vant’Hoff, ya que presentan en la zona bifásica una anomalía con respecto a la exponencial de Vant’Hoff, ya que en dicho intervalo de temperaturas se desprende el calor latente de solidificación. La diferencia, en dicho intervalo de temperaturas se desprende el calor latente de solidificación. La diferencia, pues, entre la solidificación de la solución sólida y el metal puro es que éste solidifica a

pues, entre la solidificación de la solución sólida y el metal puro es que éste solidifica a temperatura constante y aquella lo hace en un intervalo de temperaturas. Este tipo de temperatura constante y aquella lo hace en un intervalo de temperaturas. Este tipo de

solidificación, sin embargo, no es universal para todas las soluciones sólidas, este es el caso de solidificación, sin embargo, no es universal para todas las soluciones sólidas, este es el caso de las representadas en la figura anterior, que dan lugar a los llamados diagramas de solubilidad las representadas en la figura anterior, que dan lugar a los llamados diagramas de solubilidad total en estado líquido y sólido como mínimo y máximo, respectivamente.

total en estado líquido y sólido como mínimo y máximo, respectivamente. ::

Figura-7.3.Diagrama con mínimo Figura-7.3.Diagrama con mínimo

figura-7.4.Diagrama con máximo figura-7.4.Diagrama con máximo

Los puntos singulares de estos diagramas corresponden a un

Los puntos singulares de estos diagramas corresponden a un mínimo o a un mínimo o a un máximo demáximo de las líneas de liquidus y solidus, siendo en ellos ambas líneas tangentes entre sí de pendiente las líneas de liquidus y solidus, siendo en ellos ambas líneas tangentes entre sí de pendiente horizontal.

horizontal.

Así como son infrecuentes los diagramas con máximo para A y B metales, aunque sí para Así como son infrecuentes los diagramas con máximo para A y B metales, aunque sí para A y B sales iónicas, son frecuentes los diagramas con mínimo: Fe-Cr; Co-Pt; Ni-Pd; etc.

A y B sales iónicas, son frecuentes los diagramas con mínimo: Fe-Cr; Co-Pt; Ni-Pd; etc.

Para las aleaciones cuya composición es la del mínimo, o máximo, del diagrama la curva Para las aleaciones cuya composición es la del mínimo, o máximo, del diagrama la curva de enfriamiento absoluta es igual a la de un metal puro, verificándose en el punto singular que: de enfriamiento absoluta es igual a la de un metal puro, verificándose en el punto singular que:

00 11 00 22 11 22 `` 11−− −− −− == ++ −− −− −− == + + = = _{C C  F F   R R RR} V  V 

Es decir, la solidificación transcurre a temperatura constante pues existe la relación Es decir, la solidificación transcurre a temperatura constante pues existe la relación adicional (R`= 1) de la igualdad de composición de las fases líquida y sólida.

adicional (R`= 1) de la igualdad de composición de las fases líquida y sólida.

Estas soluciones sólidas que funden como un

Estas soluciones sólidas que funden como un metal puro, es decir, con metal puro, es decir, con una composiciónuna composición igual de las fases líquida y sólida, se llaman soluciones sólidas de punto de fusión congruente, igual de las fases líquida y sólida, se llaman soluciones sólidas de punto de fusión congruente, mientras que las restantes del

8. Diagramas de solubilidad total en estado

8. Diagramas de solubilidad total en estado líquido y parcial

líquido y parcial

en estado sólido

en estado sólido

8.1 Diagramas con punto eutéctico 8.1 Diagramas con punto eutéctico

En la figura-8.1 se representan un diagrama con un punto eutéctico entre dos metales A y B que En la figura-8.1 se representan un diagrama con un punto eutéctico entre dos metales A y B que se presentan una solubilidad registrada en

se presentan una solubilidad registrada en estado solidó.estado solidó.

Figura-8.1.diagrama con punto eutéctico Figura-8.1.diagrama con punto eutéctico

El metal A es capaz de mantener en solución un m % de B a la temperatura ambiente, e El metal A es capaz de mantener en solución un m % de B a la temperatura ambiente, e incrementa su solubilidad con la temperatura hasta alcanzar un máximo del p % de B a la incrementa su solubilidad con la temperatura hasta alcanzar un máximo del p % de B a la temperatura eutéctica T

temperatura eutéctica TEE..

El metal B se disue

El metal B se disuelve un (100-n) lve un (100-n) % de A a temperatu% de A a temperatura ambiente y ra ambiente y un (100-q) % un (100-q) % a laa la temperatura eutéctica.

temperatura eutéctica.

Este es el caso mas habitual, siendo la solubilidad creciente con la temperatura, solubilidad Este es el caso mas habitual, siendo la solubilidad creciente con la temperatura, solubilidad positiva, pero la solubilidad pudiera ser decreciente con la temperatura, solubilidad negativa, o positiva, pero la solubilidad pudiera ser decreciente con la temperatura, solubilidad negativa, o prácticamente independiente de aquella.

Las líneas mp y nq que reflejan la variación de so

Las líneas mp y nq que reflejan la variación de solubilidad con la temperatura de las lubilidad con la temperatura de las solucionessoluciones externas se llaman líneas de “solvus”.

externas se llaman líneas de “solvus”.

Las lineas de liquidus y solidus coinciden en el punto eutéctico E, siendo la temperatura T Las lineas de liquidus y solidus coinciden en el punto eutéctico E, siendo la temperatura TEElala

mas baja de todas las temperatura de fusión de las aleaciones entre A y B. La aleación de mas baja de todas las temperatura de fusión de las aleaciones entre A y B. La aleación de composición e % de B es llamada aleación eutéctica, siendo el significado de la palabra composición e % de B es llamada aleación eutéctica, siendo el significado de la palabra “eutéctica”, de origen griego, precisamente el de “fundir a baja temperatura” o “fundir bien”. “eutéctica”, de origen griego, precisamente el de “fundir a baja temperatura” o “fundir bien”.

La aleación eutéctica, aunque funde como un metal puro a la temperatura constante T

La aleación eutéctica, aunque funde como un metal puro a la temperatura constante TEE, es de, es de

fusión incongruente pues se verifica: fusión incongruente pues se verifica:

q q  p  p  E   E   L  L ⇔⇔α α  ++ β β  F=3; V=2+1-3=0F=3; V=2+1-3=0

Es decir, a la temperatura eutéctica se produce una reacción por la cual que el liquido de Es decir, a la temperatura eutéctica se produce una reacción por la cual que el liquido de composición e % de B solidifica dando las soluciones sólida

composición e % de B solidifica dando las soluciones sólida α α  y y de de composición composición p p y y qq respectivamente. Esta reacción se llama reacción eutéctica y que conduce a una mezcla respectivamente. Esta reacción se llama reacción eutéctica y que conduce a una mezcla heterogenia, discernible, de las

heterogenia, discernible, de las dos soluciones sólida, con morfología característicados soluciones sólida, con morfología característica

denominadas “ microconstituyente eutéctico”. El hecho de que las propiedades de una aleación denominadas “ microconstituyente eutéctico”. El hecho de que las propiedades de una aleación dependan no solo de las propiedades individuales de las fases que lo componen, sino también de dependan no solo de las propiedades individuales de las fases que lo componen, sino también de la morfología, tamaño y distribución de aquellas, justifica la imporatancia de los llamados

la morfología, tamaño y distribución de aquellas, justifica la imporatancia de los llamados “microconstituyente” de la aleación, entendidos como conjuntos mono o polifasicos con “microconstituyente” de la aleación, entendidos como conjuntos mono o polifasicos con morfología caracteristica propia

morfología caracteristica propia en la observación men la observación microscopica optica (hasta 12icroscopica optica (hasta 1200 aumentos).00 aumentos).

El eutéctico es, pues, un microconstituyente bifasico formado, en este caso, por la mezcla de las El eutéctico es, pues, un microconstituyente bifasico formado, en este caso, por la mezcla de las dos soluciones solidas

dos soluciones solidas α α  _p p yy  β  β _qq ..

Mas interes que el diagrama binario en equilibrio de fases tiene, pues, el llamado diagrama de Mas interes que el diagrama binario en equilibrio de fases tiene, pues, el llamado diagrama de equilibrio de microconstituyente, ya que estos imprimen la carácter de la aleación. En la equilibrio de microconstituyente, ya que estos imprimen la carácter de la aleación. En la figura-8.2. Se representa ahora este diagrama.

Figura-8.2. diagrama binario de microconstituyentes con eutéctico. Figura-8.2. diagrama binario de microconstituyentes con eutéctico.

Con respecto al diagrama de fases destaca la aparición de cuatro nuevas zonas dentro del area Con respecto al diagrama de fases destaca la aparición de cuatro nuevas zonas dentro del area pqnm correspondiente al dominio bifasico de

pqnm correspondiente al dominio bifasico de α α ++ . Las . Las dos zonas dos zonas rectangulares tienenrectangulares tienen

microconstituyente formado por

microconstituyente formado por α α  yy _E  E ((α α ++ )) para las llamadas aleaciones hipoeutecticas,para las llamadas aleaciones hipoeutecticas, con

con contenido contenido entre entre p p % % y y el el e e % % de de B, B, y y por por yy _E  E ((α α ++ )) para las aleacionespara las aleaciones hipereutecticas, de composición entre e % y

hipereutecticas, de composición entre e % y el q % de B. Lógicamente la vertical discontinuael q % de B. Lógicamente la vertical discontinua E

Eeecorresponde a la aleación eutéctica represencorresponde a la aleación eutéctica representan al microconstituyente eutan al microconstituyente eutécticotéctico E  E ((α α ++ ))..

Las aleaciones de composición entre m % y p % de B y entre q % y n % de B son dominios Las aleaciones de composición entre m % y p % de B y entre q % y n % de B son dominios bifasicos de

bifasicos de α α ++ pues su solidificacion, no proporciona reaccion eutecticas. Es interesantepues su solidificacion, no proporciona reaccion eutecticas. Es interesante

destacar que la mezcla eutéctica propiamente dicha solo existe a la temperatura T

destacar que la mezcla eutéctica propiamente dicha solo existe a la temperatura TEE, y que a, y que a

temperatura ambiente el eutéctico no tiene igual composición por la variación de solubilidad de temperatura ambiente el eutéctico no tiene igual composición por la variación de solubilidad de las soluciones solidas externas. En efecto, a temperatura T

las soluciones solidas externas. En efecto, a temperatura TEEel eutéctico esta formado por:el eutéctico esta formado por:

100 100 % % ⋅⋅ − − − − = =  p  p q q ee q q α  α  %% ⋅⋅100100 − − − − = =  p  p q q  p  p ee  β   β 

Mientras que a temperatura ambiente es: Mientras que a temperatura ambiente es:

100 100 % % ⋅⋅ − − − − = = m m n n ee n n α  α  %% ⋅⋅100100 − − − − = = m m n n m m ee  β   β 

La variación de composiciones se debe a la llamada “segregación” de las soluciones solidas La variación de composiciones se debe a la llamada “segregación” de las soluciones solidas extremas durante el enfriamiento entre T

extremas durante el enfriamiento entre TEEy la temperatura ambiente:y la temperatura ambiente: α α  p p segrega segrega yy β  β qq

segrega

segrega α α . Sin embrago, esta segregación no modifica la morfología propia del eutéctico T. Sin embrago, esta segregación no modifica la morfología propia del eutéctico TEE

aunque modifique

aunque modifique los porcentaje los porcentaje relativo relativo dede α α  y y por por ello ello el el eutéctico eutéctico a a temperaturatemperatura ambiente se llama pseudoeutectico, eutéctico degenerado o eutéctico transformado. Se habla ambiente se llama pseudoeutectico, eutéctico degenerado o eutéctico transformado. Se habla pues de

pues deα α  y y eutéctica eutéctica ((α α _ee yy β  β _ee) y) y α α  y y pseudoeutéctica pseudoeutéctica ((α α _SE SE yy β  β _SE SE ).).

También interesa diferenciar lasa fases

También interesa diferenciar lasa fases α α  o o , , obtenida obtenida de de la la solidificación solidificación a a temperaturatemperatura superior a T

superior a TEE, hablándose de, hablándose de α α  o o pre pre o o proeutectica proeutectica ((α α _PE PE yy β  β _PE PE ).).

Las curvas de enfriamiento lento de las aleaciones características del diagrama son las Las curvas de enfriamiento lento de las aleaciones características del diagrama son las siguientes figura-8.3.

siguientes figura-8.3.

Figura-8.3.diagrama de

Figura-8.3.diagrama de equilibrio binario con eutequilibrio binario con eutéctico y curvas de enéctico y curvas de enfriamientofriamiento

Las mesetas correspondiente a la reaccion eutéctica tiene longitudes proporcionales a la Las mesetas correspondiente a la reaccion eutéctica tiene longitudes proporcionales a la

cantidad de liquido que se transforma eutecticamente y , por lo tanto, al calor desprendido en la cantidad de liquido que se transforma eutecticamente y , por lo tanto, al calor desprendido en la reaccion, es decir, la meseta de longitud maxima es la aleación eutecticas y las longitudes de las reaccion, es decir, la meseta de longitud maxima es la aleación eutecticas y las longitudes de las mesetas de la aleación hipo e hipereutectica son mayores cuando mas proxima esten al

mesetas de la aleación hipo e hipereutectica son mayores cuando mas proxima esten al eutéctico.

eutéctico.

La construcción debida a Tamman, que se muestra en al figura-8.4., está basada en la La construcción debida a Tamman, que se muestra en al figura-8.4., está basada en la

proporcionalidad de las mesetas eutecticas y la composición de las aleaciones que sufren dicha proporcionalidad de las mesetas eutecticas y la composición de las aleaciones que sufren dicha reaccion, lo que permite determinar la composición de la aleaciones, asi como las solubilidades reaccion, lo que permite determinar la composición de la aleaciones, asi como las solubilidades

de las soluciones solidas primarias a la temperatura eutéctica, conociendo las longitudes de las de las soluciones solidas primarias a la temperatura eutéctica, conociendo las longitudes de las isotermas de dos aleaciones hipo y dos hipereutecticas.

isotermas de dos aleaciones hipo y dos hipereutecticas.

Figura-8.4. Triangulo de Tamman para microconstituyente eutéctico Figura-8.4. Triangulo de Tamman para microconstituyente eutéctico

Las aleaciones hipoeutecticas 1 y 2 tienen por longitudes de mesetas eutecticas I Las aleaciones hipoeutecticas 1 y 2 tienen por longitudes de mesetas eutecticas I11y Iy I22,,

respectivamente, mientra que I

respectivamente, mientra que I33y Iy I44son las dos aleaciones hipereutecticas. La inteseccion de lasson las dos aleaciones hipereutecticas. La inteseccion de las

rectas AB y CD determina la situación de la aleación eutecticas E su meseta I

rectas AB y CD determina la situación de la aleación eutecticas E su meseta IEE, y de las, y de las

solubilidades p % de B en A y (100 – p) % de A en B a la temperatura T solubilidades p % de B en A y (100 – p) % de A en B a la temperatura TEE..

El hecho de solidificar conjuntamente las dos soluciones solidas eutecticas confiere una El hecho de solidificar conjuntamente las dos soluciones solidas eutecticas confiere una

morfología caracteristica a los eutecticos. En primer lugar debe tenerse en cuenta que el liquido morfología caracteristica a los eutecticos. En primer lugar debe tenerse en cuenta que el liquido eutecticos es el ultimos en solidificar y, por tanto, rodea a los granos de las fase previamente eutecticos es el ultimos en solidificar y, por tanto, rodea a los granos de las fase previamente solidificada, lo que implica que tiende a ser el llamado microconstituyente “matriz” – aquel que solidificada, lo que implica que tiende a ser el llamado microconstituyente “matriz” – aquel que engloba al resto de los mic reconstituyente, llamado ahora “dispersos”- y dolo cuando su

engloba al resto de los mic reconstituyente, llamado ahora “dispersos”- y dolo cuando su proporción sea muy pequeña pasara a

proporción sea muy pequeña pasara a ser constituyente “disperso” (figura-8.5.). En cualquierser constituyente “disperso” (figura-8.5.). En cualquier caso la tendencia a orlar o rodear los granos de los constituyentes solidificado solidificado caso la tendencia a orlar o rodear los granos de los constituyentes solidificado solidificado previamente, confiere a los

previamente, confiere a los eutecticos unos contornos redondeados que los distinguen netamenteeutecticos unos contornos redondeados que los distinguen netamente del resto de los microconstituyente. En cuanto a la morfología propia de las fases que componen del resto de los microconstituyente. En cuanto a la morfología propia de las fases que componen el eutéctico, los

el eutéctico, los mas habituales son los laminares, los globulares mas habituales son los laminares, los globulares y los aciculares.(figura-8.6.)y los aciculares.(figura-8.6.)

Figura-8.5. Esquema de microconstituyenete eutéctico matriz Figura-8.5. Esquema de microconstituyenete eutéctico matriz

Figura-8.6 Morfologia propia de las fases que componen el eutectico. Figura-8.6 Morfologia propia de las fases que componen el eutectico.

Los eutecticos laminares estan formado por laminas alternadas de las fases, siendo los mas Los eutecticos laminares estan formado por laminas alternadas de las fases, siendo los mas frecuentes; los globulares se caracterizan por tener una fase como microconstituyente matriz que frecuentes; los globulares se caracterizan por tener una fase como microconstituyente matriz que impregna glóbulos mas o meno pequeño de la otra fase, que actua de constituyente dispersos. impregna glóbulos mas o meno pequeño de la otra fase, que actua de constituyente dispersos. Por ultimo, los eutecticos aciculares, muy poco habituales, aparecen cuando una de las fases Por ultimo, los eutecticos aciculares, muy poco habituales, aparecen cuando una de las fases tienden a desarrollarse geométricamente de forma acusada, como se vera en el apartado tienden a desarrollarse geométricamente de forma acusada, como se vera en el apartado siguientes.

siguientes.

Debe significarse que mediante tratamientos adecuados, bien termicos o bien durante la Debe significarse que mediante tratamientos adecuados, bien termicos o bien durante la solidificacion, puede transformarse la geometrica del eutecticos. Si se considera la gran solidificacion, puede transformarse la geometrica del eutecticos. Si se considera la gran

influencia de las propiedades de los eutecticos sobre las aleaciones, ligadas estrechamente a su influencia de las propiedades de los eutecticos sobre las aleaciones, ligadas estrechamente a su caracteristicas de microconstituyente matriz, se comprende el interes de dichos tratamientos, caracteristicas de microconstituyente matriz, se comprende el interes de dichos tratamientos, pues son evidentes las diferencias entre

pues son evidentes las diferencias entre las propiedades mecanicas de unas u otras las propiedades mecanicas de unas u otras morfologíasmorfologías eutecticas; la aciculares confiere la menor capacidad de deformación y la globular la mayor, eutecticas; la aciculares confiere la menor capacidad de deformación y la globular la mayor, siendo la laminar intermedia. Tambien es de gran importancia el tamaño eutecticas, siendo los siendo la laminar intermedia. Tambien es de gran importancia el tamaño eutecticas, siendo los eutecticos tantos mas resistentes y tenaces cuanto mas fina sea su configuración. A veces, eutecticos tantos mas resistentes y tenaces cuanto mas fina sea su configuración. A veces, cuando su estructura es muy fina,

cuando su estructura es muy fina, no son resoluble en microscopia optica no son resoluble en microscopia optica apareciendo comoapareciendo como granos oscurecidos en los que son indistinguibles las

granos oscurecidos en los que son indistinguibles las fases que lo componen.fases que lo componen.

El menor punto de fusion de la aleación eutéctica con respecto al resto de las aleaciones de El menor punto de fusion de la aleación eutéctica con respecto al resto de las aleaciones de diagramas binarios, confiere a estas aleaciones una excelente colabilidad y, por lo tanto, son diagramas binarios, confiere a estas aleaciones una excelente colabilidad y, por lo tanto, son aleaciones prefrere para el conformado por fundicion. Es frecuente, sin embargo, que las aleaciones prefrere para el conformado por fundicion. Es frecuente, sin embargo, que las aleaciones mas utilizadas sean ligeramente hipo o hipereutectica, por las beneficiosas aleaciones mas utilizadas sean ligeramente hipo o hipereutectica, por las beneficiosas propiedades que puede inducir el depósito inicial de las fases proeutecticas.

8.1.a. Eutecticos con diferente punto de fusion 8.1.a. Eutecticos con diferente punto de fusion

Cuando los metales A y B presentan temperaturas de fusión muy distintos y la proporción de Cuando los metales A y B presentan temperaturas de fusión muy distintos y la proporción de fases es también muy diferente, suelen ser llamados eutéctico anormales o divorciados. fases es también muy diferente, suelen ser llamados eutéctico anormales o divorciados.

Este es el caso representado en la figura-8.7 en el que el metal B tiene un punto de fusion muy Este es el caso representado en la figura-8.7 en el que el metal B tiene un punto de fusion muy superior al del metal A y, al tiempo, la proporción de

superior al del metal A y, al tiempo, la proporción de α α  _p p en el eutéctico es mucho mayor que laen el eutéctico es mucho mayor que la de

de β  β _qq. En estas condiciones la cinetica de solidificación de. En estas condiciones la cinetica de solidificación de α α  p p yy β  β qq es muy distintas, pueses muy distintas, pues

mientras que para

mientras que para α α  _p p la velocidad de nucleacion es pequeña (proporcional a la diferencia entrela velocidad de nucleacion es pequeña (proporcional a la diferencia entre la temperatura de fusión y T

la temperatura de fusión y TEE) para) para β  β _qq es muy grande al ser su temperatura de fusión muyes muy grande al ser su temperatura de fusión muy

elevada. Esta diferencia en la velocidad de nucleacion y solidificacion induce que para la elevada. Esta diferencia en la velocidad de nucleacion y solidificacion induce que para la aleación eutéctica de e % de B a T

aleación eutéctica de e % de B a TEE, solidifique, solidifique β  β qq rapidamente y con independencia derapidamente y con independencia de α α  p p, lo, lo

que da lugar a una morfología gruesa de

que da lugar a una morfología gruesa de β  β _qq- habitualmente de tipo acicular- que aparece- habitualmente de tipo acicular- que aparece embebida en la matriz de

embebida en la matriz de α α  _p p. Esta morfología, inhabitual en los eutecticos, se traduce en una. Esta morfología, inhabitual en los eutecticos, se traduce en una disminución de propiedades mecanicas, en especial la tenacidad, motivada por el alto efectos de disminución de propiedades mecanicas, en especial la tenacidad, motivada por el alto efectos de entalla que inducen las agujas de

entalla que inducen las agujas de β  β _qq..

Figuara-8.7 diagramas binario de eutecticos anormal o divorciado. Figuara-8.7 diagramas binario de eutecticos anormal o divorciado.

Como se ha indicado anteriormente la desventajosa aparición de estos eutecticos anormales Como se ha indicado anteriormente la desventajosa aparición de estos eutecticos anormales puede combatirse mediante tratamientos especiales. Uno de los mas aplicados es el llamado de puede combatirse mediante tratamientos especiales. Uno de los mas aplicados es el llamado de ”modifiacacion” que consiste en la adicion al metal liquido de elementos (habitualmente

Figura 8-8 Diagrama de eutéctico anormal con subenfriamiento. Figura 8-8 Diagrama de eutéctico anormal con subenfriamiento.

El subenfriamiento convierte la aleación eutéctica en hipoeutectica, al pasar la composición El subenfriamiento convierte la aleación eutéctica en hipoeutectica, al pasar la composición eutéctica E a E’, solidificando previamente

eutéctica E a E’, solidificando previamente α α  proeutectica lo que se traduce en un aumentoproeutectica lo que se traduce en un aumento considerable de la velocidad de nucleacion de

considerable de la velocidad de nucleacion de α α  _E  E  y, por tanto, en una disminución de lay, por tanto, en una disminución de la diferencia entre las velocidad de solidificación de

diferencia entre las velocidad de solidificación de α α  _E  E  yy β  β  _E  E  y de la tendencia a aparecery de la tendencia a aparecer eutéctico anormal.

eutéctico anormal.

En la figura-8.9 se revelan las estructuras del eutéctico anormal de la aleación Al-12 % y Si; En la figura-8.9 se revelan las estructuras del eutéctico anormal de la aleación Al-12 % y Si; denominada “siluminio”, y del eutéctico modificado por la adición durante la colada de sodio. denominada “siluminio”, y del eutéctico modificado por la adición durante la colada de sodio. La aleación modificada suele

La aleación modificada suele denominarse “alpax”, en denominarse “alpax”, en atención atención a Aladar Pacz que a Aladar Pacz que fue elfue el descubridor en 1920 del tratamiento de modificación de aleaciones, de gran importancia como descubridor en 1920 del tratamiento de modificación de aleaciones, de gran importancia como aleaciones de moldeo para obtener

aleaciones de moldeo para obtener de piezas fundidas bien en arena o en de piezas fundidas bien en arena o en coquilla metálica.coquilla metálica.

Figura-8.9. Estructura de los eutecticos de la aleaciones siluminio con Al-12% Si Figura-8.9. Estructura de los eutecticos de la aleaciones siluminio con Al-12% Si

8.2 Diagramas con punto peritéctico 8.2 Diagramas con punto peritéctico

Mientras que en el caso del diagrama con punto eutéctico éste es inferior a la temperatura de Mientras que en el caso del diagrama con punto eutéctico éste es inferior a la temperatura de fusión de ambos metales puros, otros diagramas pre

fusión de ambos metales puros, otros diagramas presentan un punto singular en la lísentan un punto singular en la línea denea de liquidus de temperatura inferior a la de uno de los metales y superior a la del otro. En la liquidus de temperatura inferior a la de uno de los metales y superior a la del otro. En la siguiente figura-8.10 se representa uno de

siguiente figura-8.10 se representa uno de estos diagramas.estos diagramas.

Figura-8.10. diagrama con punto peritectico Figura-8.10. diagrama con punto peritectico

Todas las aleaciones comprendidas entre los puntos M y N sufren la llamada reacción Todas las aleaciones comprendidas entre los puntos M y N sufren la llamada reacción peritéctica: peritéctica: 00 33 11 22 ;; == ++ −− == ⇔ ⇔ + + _V V   L  L _M  M   β  β  _N  N  α α _PP

Siendo el punto P el peritéctico del sistema, en el que la reacción no transcurre con exceso de Siendo el punto P el peritéctico del sistema, en el que la reacción no transcurre con exceso de

m m

 L

 L o deo de β  β  _N  N ..

Para las aleaciones entre M y P hay exceso de líquido por lo que: Para las aleaciones entre M y P hay exceso de líquido por lo que:

 M   M  P P  N   N   M   M  LL  L  L ++ _β  β  ⇔⇔_α α  ++

Mientras que las comprendidas entre P y N presentan un exceso de solución Mientras que las comprendidas entre P y N presentan un exceso de solución β  β  _N  N 

Al igual que en el caso del punto eutéctico la máxima longitud de las isotermas de las curvas de Al igual que en el caso del punto eutéctico la máxima longitud de las isotermas de las curvas de enfriamiento se da para el punto peritéctico P, aunque ahora la longitud es menor que las de las enfriamiento se da para el punto peritéctico P, aunque ahora la longitud es menor que las de las

estado es muy superior al calor de transformación en estado sólido. Nuevamente el triángulo de estado es muy superior al calor de transformación en estado sólido. Nuevamente el triángulo de Tamman define la composición del punto peritéctico, así como el de

Tamman define la composición del punto peritéctico, así como el de L L_mm yy β  β  _N  N 

Las curvas de enfriamiento de las aleaciones más significativas del diagrama se representan en Las curvas de enfriamiento de las aleaciones más significativas del diagrama se representan en la siguiente figura-8.11:

la siguiente figura-8.11:

Figura-8.11. diagrama binario con peritectico y curvas de enfriamiento. Figura-8.11. diagrama binario con peritectico y curvas de enfriamiento.

Mientras que la reacción peritéctica total o la que transcurre con exceso de líquido no inducen Mientras que la reacción peritéctica total o la que transcurre con exceso de líquido no inducen ninguna morfología particular, ésta si que existe para las reacciones con exceso de solución ninguna morfología particular, ésta si que existe para las reacciones con exceso de solución sólida

sólida β  β _N N , pues para estas aleaciones hiperperitécticas, pues para estas aleaciones hiperperitécticas β  β  _N  N queda como microconstituyentequeda como microconstituyente disperso embebido en los granos de

disperso embebido en los granos de α α  _N  N .(figura-8.12).(figura-8.12)

Figura-8.12. Curva de enfriamiento lento y microestructura de enfriamiento de aleación Figura-8.12. Curva de enfriamiento lento y microestructura de enfriamiento de aleación hiperperitéctica.

En cualquier caso las microestructuras obtenidas en la práctica industrial pueden variar En cualquier caso las microestructuras obtenidas en la práctica industrial pueden variar significativamente con respecto a las previstas por el diagrama de equilibrio para la reacción significativamente con respecto a las previstas por el diagrama de equilibrio para la reacción peritéctica. Esta reacción es muy lenta pues precisa del contacto del líquido con un sólido. Y, peritéctica. Esta reacción es muy lenta pues precisa del contacto del líquido con un sólido. Y, según se va formando la nueva fase sólida se dificulta el avance de la reacción, ya que la fase según se va formando la nueva fase sólida se dificulta el avance de la reacción, ya que la fase

P P

α 

α  rodeara a larodeara a la β  β _N N , como lo representa la siguiente figura 8-13., como lo representa la siguiente figura 8-13.

Figura-8.13. fase

Figura-8.13. fase α α _PP rodeado porrodeado por β  β  _N  N ..

Para que la reacción prosiga será precisa la difusión de átomos a través de la corona de

Para que la reacción prosiga será precisa la difusión de átomos a través de la corona de α α _PP que,que, por otra parte, cada vez será más gruesa aumentando la distancia de difusión. Las reacciones por otra parte, cada vez será más gruesa aumentando la distancia de difusión. Las reacciones peritécticas por ello no suelen ser completas y es poco probable que conduzcan a una fase única peritécticas por ello no suelen ser completas y es poco probable que conduzcan a una fase única

8.3 Diagrama con compuesto definido de punto de fusión congruente 8.3 Diagrama con compuesto definido de punto de fusión congruente En la figura-8.14 se muestra un diagrama que presenta un compuesto definido C,

En la figura-8.14 se muestra un diagrama que presenta un compuesto definido C, A A _X  X BB_Y Y dede

punto de fusión congruente, es decir, su fusión conduce a un líquido de igual composición. punto de fusión congruente, es decir, su fusión conduce a un líquido de igual composición.

Figura-8.14. diagrama con composición definido de punto de

Figura-8.14. diagrama con composición definido de punto de fusión congruentefusión congruente

En este diagrama los eutécticos E1 y E2 se forman entre el compuesto definido C y las En este diagrama los eutécticos E1 y E2 se forman entre el compuesto definido C y las soluciones sólidas extremas

soluciones sólidas extremas α α  y y respectivamente. respectivamente. El El punto punto de de fusión fusión del del compuesto compuesto CC puede ser inferior o superior a los de los metales puros, o bien, intermedio entre ambos, y no puede ser inferior o superior a los de los metales puros, o bien, intermedio entre ambos, y no tiene que tratarse necesariamente de un punto con tangente horizontal, es más, cuanto mayor sea tiene que tratarse necesariamente de un punto con tangente horizontal, es más, cuanto mayor sea la distancia entre la línea de liquidus y la hipotética tangente horizontal más estable será el la distancia entre la línea de liquidus y la hipotética tangente horizontal más estable será el compuesto, es decir, menor será la tendencia a que el líquido

compuesto, es decir, menor será la tendencia a que el líquido  A A _X  X BB_Y Y  se disocie según:se disocie según:

 yB  yB  xA  xA  B  B  A

 A _{X  X  Y Y}  ⇔⇔ ++

La solidificación del compuesto se desarrolla como la de un metal puro, pues ahora es C=2, R=1 La solidificación del compuesto se desarrolla como la de un metal puro, pues ahora es C=2, R=1 y V= 2+1-2-1 = 0

y V= 2+1-2-1 = 0

8.4 Diagrama con compuesto definido de punto de fusión incongruente 8.4 Diagrama con compuesto definido de punto de fusión incongruente El siguiente diagrama de

El siguiente diagrama de la figura.8.15 la figura.8.15 incluye un compuesto incluye un compuesto definido C,definido C, A A _X  X BB_Y Y  , que se forma, que se forma

como resultado de una reacción peritéctica. El hecho de fundir dando un líquido y un solido lo como resultado de una reacción peritéctica. El hecho de fundir dando un líquido y un solido lo tipifica como compuesto de f

Figura-8.15. Diagrama con compuesto definido de

Figura-8.15. Diagrama con compuesto definido de punto de fusión incongruente.punto de fusión incongruente.

8.5 Diagrama con solución sólida intermedia 8.5 Diagrama con solución sólida intermedia Estos diagramas revelan una solución sólida

Estos diagramas revelan una solución sólida intermediaintermedia γ  γ  de diferente sistema cristalino que elde diferente sistema cristalino que el de las soluciones sólidas extremas. En el caso de la figura-8.16 la solución sólida intermedia de las soluciones sólidas extremas. En el caso de la figura-8.16 la solución sólida intermedia admite, a temperatura ambiente, entre el n y el m% de B en solución. Al igual que en el caso de admite, a temperatura ambiente, entre el n y el m% de B en solución. Al igual que en el caso de solubilidad total en estados líquido y sólido las líneas de liquidus y solidus de la solución

solubilidad total en estados líquido y sólido las líneas de liquidus y solidus de la solución deben ser tangentes entre sí en el máximo y existe la rela

deben ser tangentes entre sí en el máximo y existe la relación adicional de la igualdad deción adicional de la igualdad de

composición de las fases líquida y sólida, por tanto V=2+1-2-1=0, y la solidificación transcurre composición de las fases líquida y sólida, por tanto V=2+1-2-1=0, y la solidificación transcurre a temperatura constante para la

a temperatura constante para la γ  γ  de máxima temperatura de fusión.de máxima temperatura de fusión.

Estas soluciones sólidas intermedias tienen, frecuentemente, e

Estas soluciones sólidas intermedias tienen, frecuentemente, estrecho margen de solubilidadstrecho margen de solubilidad tanto a alta como a baja temperatura, por lo que pueden considerarse como compuestos tanto a alta como a baja temperatura, por lo que pueden considerarse como compuestos químicos de composición ligeramente variable,

químicos de composición ligeramente variable, siendo muchos de ellos compuestossiendo muchos de ellos compuestos electrónicos.

Figura-8.16. diagrama con fase intermedia Figura-8.16. diagrama con fase intermedia

Soluciones sólidas intermedias son también las que aparecen en la figura-8.17 y 8.18 ambas con Soluciones sólidas intermedias son también las que aparecen en la figura-8.17 y 8.18 ambas con fusión incongruente.

fusión incongruente.

Figura-8.17. solución sólida intermedia en un diagrama con puntos eutecticos y peritecticos Figura-8.17. solución sólida intermedia en un diagrama con puntos eutecticos y peritecticos