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  • Termodinmica de los Diagramas de FaseCurso de Termodinmica avanzada aplicada a la Metalurgia

    Osvaldo Fornaro

    IFIMAT - Facultad de Ciencias Exactas, UNCPBAPinto 399 (B7000GHG) Tandil - Argentina

    Resumen

    Este curso pretende brindar conocimientos en el rea de la termodinmica que no son abordados duranteun curso de termodinmica tpico de grado. Es por ello que a partir de los conocimientos adquiridos durante lacursada de Termofsica, correspondiente al tercer ao de la Licenciatura en Fsica, se comienza con criteriosde estabilidad de fases de sistemas de un componente, dos y multicomponentes, para obtener las herramientasnecesarias para la construccin y utilizacin de diagramas de fase en el campo de la Metalurgia.

    El rgimen previsto para la cursada es Presencial. Durante la cursada se prev la combinacin de clasesTericas, expositivas y actividades prcticas tanto numricas como de laboratorio.

    Para la aprobacin de la Cursada se requiere la resolucin de alguna problemtica, que ser presentado alalumno al promediar la cursada. La ejecucin de los mismos puede requerir ms de una consulta, motivo porel cual no se lo especifica como Evaluacin parcial. (El contenido de la propuesta ser diferente dependiendosi el alumno es de grado o posgrado)

    El examen final consistir en la defensa ante una mesa de dicha resolucin.

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    ndice

    1. Introduccin a la Termodinmica Metalrgica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1. Ecuacin de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2. Primera y Segunda Leyes de la Termodinmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3. Potenciales termodinmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82. Metalurgia y termoqumica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1. Sustancias puras. Medida de los cambios de entalpa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2. La entropa como variable de estado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3. Equilibrio de fases en sistemas de un solo componente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4. Aplicacin a reacciones qumicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163. Propiedades termodinmicas de las soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1. Soluciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2. Soluciones ideales y regulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224. Origen termodinmico de los diagramas de fase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.1. Equilibrio de dos fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2. Sistemas Binarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    4.2.1. Sistema isomorfo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.2. Sistemas eutcticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2.3. Sistemas peritcticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2.4. Sistemas montcticos. Inmiscibilidad lquida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.2.5. Sintcticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    4.3. Solubilidad limitada. Fases intermedias, intermetlicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4. Formacin de diagramas complejos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415. Diagramas ternarios y multicomponentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.1. Sistemas ternarios isomrficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    5.1.1. Desarrollo del camino de solidificacin en un sistema ternario isomorfo . . . . . . . 445.2. Equilibrio de tres fases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.3. Equilibrio de cuatro fases. Eutctico ternario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    5.3.1. Proyecciones de las lneas de lquidus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.3.2. Secciones isotrmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.3.3. Corte de isocomposicin (isopleths) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    5.4. Diagrama con reaccin peritctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.5. Topologa. Reglas de construccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5.5.1. Topologa de las secciones isotrmicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.5.2. Reglas de fase en los cortes de isocomposicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    5.6. Diagramas de fases multicomponentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.6.1. Construccin de diagramas multicomponentes utilizando el criterio de las lneas de

    fraccin de fases nulas (ZPF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596. Generacin de experiencias para recoleccin de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1. Jerarqua del equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.2. Equilibrio interfacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.3. Alejamiento total del equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    6.3.1. Contribucin de la curvatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.3.2. Cintica de pegado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.3.3. Atrapamiento de soluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    6.4. Tcnicas experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.4.1. Anlisis trmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.4.2. Muestreo, templado, tcnicas similares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.4.3. Otras tcnicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    7. Clculo de propiedades termodinmicas. El desarrollo de CALPHAD . . . . . . . . . . . . 717.1. Cronologa de la termodinmica computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

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    7.2. El mtodo CALPHAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.2.1. El formalismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

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