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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO BINARIOS
(Diagramas de fases)
Fase
Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una
región que difiere en estructura y/o composición de otra región.
Aleación monofásica
Aleación polifásica
Una fase tiene las siguientes características:
La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material.
Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior.
Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras
fases circundantes.
Definición de Fase
Parte de un sistema cuya composición (naturaleza y concentración de
constituyentes) y organización atómica (estructura cristalina o amorfa) son
fijas. Es decir, parte homogénea de un sistema cuyas características
físicas y químicas son comunes.
agua
Agua líquida
Hielo
Vapor de agua
Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que
están atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y
de composición variable (por ser una solución, hay un rango de
solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:
Solubilidad total (completa)
Solubilidad parcial o limitada
Insolubilidad total
a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de
átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una
solución sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
Tipos de soluciones sólidas
Solución sólida sustitucional:
los átomos de B ocupan
posiciones de la red A
Solución sólida intersticial: los
átomos B ocupan posiciones
intersticiales de la red A
Solución sólida sustitucional:
En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen
en términos de posición, a los átomos de la matriz.
Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad
sólida ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como
las Reglas de Hume- Rothery:
El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en
más del 15%,para minimizar la deformación de la red.
Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no
debe haber diferencias apreciables en la electronegatividad de cada
elemento.
Los elementos deben tener la misma valencia.
La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe
ser la misma
Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un
sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:
Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo
condiciones de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura
en el que se presenta la solidificación.
Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.
Se tienen 3 tipos de diagramas:
• Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
• Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado sólido
• Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al estado sólido.
Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
a) Temperatura liquidus y solidus
b) Fases presentes
c) Composición de cada fase
d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
e) Solidificación de aleaciones
a) Temperatura liquidus y solidus
La temperatura liquidus o de
líquido se define como aquella
arriba de la cual un material es
totalmente líquido.
La temperatura solidus o de
sólido, es aquella por debajo de la
cual esa aleación es 100% sólida
La diferencia de temperaturas
entre la de líquido y la de sólido es
el intervalo de solidificación de
la aleación
b) Fases presentes
El diagrama de fases puede
considerarse como un mapa
de caminos; si se conocen las
coordenadas, temperatura y
composición de la aleación,
se pueden determinar las
fases que se encuentren
presentes.
c) Composición de cada fase
Cada fase presente en una aleación
tiene una composición, expresada
como el porcentaje de cada elemento
en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo
una fase en la aleación, la
composición de la fase es igual a la
composición general de la aleación.
Cuando coexisten dos fases, como
líquido y sólido, la composición de
ambas difiere de la composición
general original.
Usualmente la composición está
expresada en porcentaje en peso.
c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o
isoterma para determinar la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es
una línea horizontal en una región
de dos fases, que se traza a la
temperatura de interés.
Los extremos de la isoterma
representan la composición de las
dos fases en equilibrio.
d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de
fases del cobre-níquel y la
aleación de composición C0 a
1250°C, donde C y CL
representan la concentración
de níquel en el sólido y en el
líquido y W y WL las
fracciones de masa de las
fases presentes.
La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones
de conservación de la masa:
En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las
fracciones de las fases presentes debe ser la unidad:
1 LWW
En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir
con la masa total de la aleación
0CCWCW LL
Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la
expresión de la regla de la palanca para esta situación particular
LL CC
CCW
0
L
L
CCCC
W
0
En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:
100xenlacedelínealadetotallongitud
opuestopalancadebrazofasedePorcentaje
Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos fases de
un diagrama de fases binario.
Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una fase en una
mezcla de dos fases.
Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es decir,
la concentración química de los distintos componentes)
Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al
estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente
insolubles uno en otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es
tan limitada que prácticamente pueden considerarse como insolubles.
El punto de intersección
de las líneas liquidus, se
denomina punto
eutéctico.
E
La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de
solidificación del eutéctico
La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como
composición eutéctica.
Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la
temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en
dos fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción
eutéctica y se escribe:
BsólidoAsolídoLíquidoeutécticaatemperatur
toenfriamien
Diferentes microestructuras de enfriamiento lento de composición eutéctica
Aleación 1: aleación eutéctica
Aleación 3: aleación hipoeutéctica
Aleación 2: aleación hipereutéctica
a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1
b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2
c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3
Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles
al estado sólido
Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad
máxima (solución saturada) de B en A (solución ) o de A en B
(solución ) en función de la temperatura.
El punto E, como en el tipo II, es el punto eutéctico
Reacción eutéctica:
sólidasoluciónsólidasoluciónLíquidoeutécticaatemperatur
toenfriamien
a) Aleaciones de
solución sólida
b) Aleaciones que
rebasan el límite de
solubilidad
c) Aleaciones hipoeutécticas
d) Aleación eutéctica
Ejemplos:
1)
2)
