Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALÚRGICA
“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”
“Diagramas de Equilibrio de Fases y
Transformaciones de Fase”
Ciclo :
Docente : Ing.
Integrantes:
Huacho – Perú
2013
RESUMEN
En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase, diagrama de
equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de
las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de
variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas
representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se
suele denominar diagrama de cambio de estado.
Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que
pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a
distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de
la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que
generalmente los materiales están en estado sólido.
Existen diferentes diagramas de equilibrio según los materiales sean totalmente
solubles en estado sólido y líquido o sean miscibles a que sean insolubles. También
pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el
de los aceros que tiene particularidades y donde afecta claramente la concentración y
las diferentes cristalizaciones que puede darse en el hierro estando en estado sólido y
a diferentes temperaturas.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
ii
ÍNDICEINTRODUCCIÓN viiCAPITULO I: DEFINICIONES Y CONOCIMIENTOS PREVIOS 81. MICROESTRUCTURA 82. FASE 133. COMPONENTE 154. SOLUBILIDAD 15
a. Solución Solida 18b. Solución Saturada 19c. Solución Insaturada 19
5. LÍMITE DE SOLUBILIDAD 19CAPITULO II: EQUILIBRIO DE FASES 211. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS 21
a. Energía Libre De Gibbs G 22b. Equilibrio 24
i. Meta Estable 26ii. Estable 27
2. REGLA DE FASES DE GIBBS 27a. Equilibrio De Fases Termodinámico 27
CAPITULO III: DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES 281. INTRODUCCIÓN 292. DIAGRAMA DE FASE DE EQUILIBRIO (MONO COMPONENTE) 29
a. Ejemplo: Diagrama De Fases Del Agua 31b. Ecuación De Clausius Clapeyron 32
3. DIAGRAMA DE FASES BINARIAS 33a. Tipos 35
i. Solubilidad Total En Fase Sólida Y Liquida (Aleación Isomorfa)
35
1. Ejemplo Aleación Cu-Ni 38ii. Separación De Fase 38
1. Ejemplo Cr-W 40iii. Sistema Eutéctico Con Solubilidad Parcial 40
1. Ejemplo Ag-Cu 41iv. Diagrama De Fases Con Compuestos Intermedios 42
1. Ejemplo Mg-Pb 44v. Puntos Singulares 44
1. Reacciones Invariables 44a. Reacción Eutéctica 46b. Reacción Eutectoide 46c. Reacción Peritectica 47
4. INTERPRETACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASES 47a. Zona Bifásica: Proporción De Cada Fase 49b. La Ley De La Palanca 49
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
iii
5. CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE FASE 516. RELACIÓN ENTRE DIAGRAMAS DE FASE Y MICROESTRUCTURAS 537. EL DIAGRAMA DE FASES FE-C (ACEROS) 55CAPITULO IV: CINÉTICA: NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE FASES 63
1. DIFUSIÓN 63a. Primera Ley De Fick 64b. Segunda Ley De Fick 64
2. INTERCARAS 65a. INTERCARAS EN FASE SOLIDA 65
i. Coherente 65ii. Incoherente 65
3. FUERZA IMPULSORA DE TRANSFORMACIÓN (CAMBIO DE ENERGIA DE GIBBS)
66
4. NUCLEACIÓN DE UNA NUEVA FASE 66a. Nucleación Homogénea 66b. Nucleación Heterogénea 68
5. CRECIMIENTO 686. TRANSFORMACIÓN 68
CAPITULO V: TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS ALEACIONES METÁLICAS 711. IMPORTANCIA 712. TRATAMIENTO TÉRMICO DE PRECIPITACIÓN 723. RECOCIDO 73
CONCLUSIONES 75BIBLIOGRAFÍA 77ANEXOS 78
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
iv
ÍNDICE DE FIGURASPág.
Fig. 1 La Energía Libre De Gibbs 9Fig. 02 energía libre de superficie 9Fig. 3 Átomos 10Fig. 4 Energía Total 10Fig. 5 Proceso De Solidificación 11Fig. 6 Formaciones De Núcleos 11Fig. 7 Tipos De Núcleos 12Fig. 8 Microestructura Del Acero 13Fig. 9 Cambio De Fase 14Fig. 10 Soluciones Solidas Ab 17Fig. 11 Solución Solida 18Fig. 12 Límites De Solubilidad 20Fig. 13 Estados De Equilibrio 22Fig. 14 Equilibrios 25Fig. 15 Un Sistema Metaestable Con Un Estado Débilmente Estable (1), Un Estado Inestable De Transición (2) Y Un Estado Fuertemente Estable (3).
26
Fig. 16 Equilibrio De Fases Termodinámico 27Fig. 17 Diagrama De Fases 29 Fig. 18 En El Diagrama De La Figura Las Líneas Ab, Bd Y Bc Corresponden A Valores (P,T) En Las Que Coexisten Dos Fases:
30
Fig. 19 Diagrama De Fase Binario 35 Fig. 20 Cambio De La Composición A Medida Que Cambia La Temperatura 36Fig. 20 B Aleación Isomorfa 38Fig. 21 Nucleación 40Fig. 22 Separaciones De Fases 41Fig. 23 Sistema Eutéctico 41Fig. 24 Compuestos Intermedios 44Fig. 25 Diagrama De Fases En Equilibrio Plomo-Estaño. 45Fig. 26 Diagrama De Fases Fe- Fe3c. La Línea Vertical A 6.67% C Es El Compuesto Estequiométrico Fe3c.
46
Fig. 27 Un Diagrama De Equilibrio Peritectica Generalizado 47Fig. 28 Sistema Eutéctico 52Fig. 29 Difusión 63Fig. 30 Intercaras 65Fig. 31 Gráfica Del Recocido Normal 74
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
v
ÍNDICE DE ANEXOS
Pág.Anexo 01 diagrama de fases Fe-C 78
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
vi
INTRODUCCIONExisten diferentes diagramas de equilibrio según los materiales sean totalmente
solubles en estado sólido y líquido o sean miscibles a que sean insolubles. También
pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el
de los aceros que tiene particularidades y donde afecta claramente la concentración y
las diferentes cristalizaciones que puede darse en el hierro estando en estado sólido y
a diferentes temperaturas.
Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA,
TB) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase
única líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de
comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los metales
en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla
líquida, XA + XB, la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento,
llegamos a obtener el producto que se denomina aleación de los metales A y B.
Es conocido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros.
Realmente debería decirse que introducen variables que diferencian el
comportamiento de los metales puros que las componen, porque en algunas
circunstancias pueden perjudicar sus propiedades. Obviamente, conformar una
aleación es uno de los medios más primitivos que la ingeniería ha dispuesto para
actuar sobre las propiedades de los metales puros, incluso históricamente la aleación
es predecesora como lo justifica el bronce, Edad del bronce
En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios,
mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una
sustancia pura.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
vii
CAPITULO I
DEFINICIONES Y CONOCIMIENTOS PREVIOS
En la actualidad, conocer las propiedades y las características de los materiales
empleados en la ingeniería es de gran importancia, entre ellas la microestructura de
los mismos; ya que mediante ellas podemos determinar qué clase de material emplear
en ocasiones determinadas.
1. MICROESTRUCTURA
La microestructura es la estructura más fina de un material que es detectada con la
ayuda de un microscopio. Esta puede ser modificada, lo que le permite al ingeniero
escoger una combinación con las propiedades más adecuadas según la aplicación a
emplear, tomando en cuenta que sea un material el cual lleve un proceso de
producción industrial.
Los materiales en estado sólido poseen microestructura. La microestructura no es
más que el conjunto de granos, o cristales, observados generalmente por medio de un
microscopio óptico. La microestructura de un material se forma durante el proceso de
solidificación del mismo. Suponga que se tiene un metal cualquiera en estado líquido
dentro de un recipiente. Los átomos que forman al metal poseen una cierta cantidad
de energía almacenada. A esa energía almacenada se le llama Energía Libre de
Volumen, y se representará por la letra G. El metal en estado líquido posee entonces
una Energía Libre de Volumen Gs.
Imagínese que el metal dentro del recipiente se vuelve sólido. Suponga que la
solidificación se da a temperatura constante, es decir, la temperatura del metal líquido
es la misma que la del metal sólido. Los átomos en estado sólido también poseen una
cierta cantidad de Energía Libre de Volumen almacenada. A esa cantidad se le
representará por Gl.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
8
Para la misma cantidad de material y para la misma temperatura, la Energía Libre de
Volumen en estado líquido es diferente a la Energía Libre en estado sólido. El líquido
posee mayor Energía Libre que el sólido a la misma temperatura.
Fig. 1 la energía libre de Gibbs
Cuando el material pasa de líquido a sólido a temperatura constante, debe cambiar su
Energía Libre de Volumen en una cantidad ∆G = Gs - G L. Como la Energía del sólido es
menor que la del líquido, durante el cambio de fase el material libera energía en una
cantidad igual a ∆G.
Por otro lado, cuando se va formando el sólido durante el cambio de fase, se forma
también una superficie, la cual no es más que una interface entre el sólido y el entorno
que lo rodea. Los átomos que forman la superficie poseen mayor energía que los
átomos que se encuentran en el interior del sólido. A la energía que se guarda en la
superficie del sólido se le llama Energía Libre de Superficie, y se representa por la
letra .λ
Fig. 2 energía libre en la superficie
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
9
En el proceso de solidificación se dan entonces dos fenómenos de transferencia de
energía:
Los átomos que pasan del estado líquido al sólido liberan la energía ∆G.
Los átomos que forman la superficie del sólido absorben la energía . λ
Suponga que los átomos cuando solidifican forman una esfera de radio r.
Fig. 3 Átomos
El cambio total de energía para la esfera será:
∆ E=43π r3 (∆G )+4 π r2 λ
Fig. 4 energía total
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
10
De la termodinámica sabemos que los fenómenos espontáneos en la naturaleza
siempre se dan en la dirección hacia donde la energía total disminuye. Para el proceso
de solidificación se ha propuesto lo siguiente:
Fig. 5 proceso de solidificación
Si el radio r de la partícula es menor que r*, al aumentar el radio de la esfera (lo que
significa que el líquido que la rodea solidifica debido a que los átomos se adhieren a la
esfera) aumenta la energía total de la esfera. Este fenómeno no puede ser espontáneo
y la partícula (llamada embrión) se desintegra (sus átomos vuelven al estado líquido).
Sin embargo, si el radio de la partícula es mayor que r*, la energía total de la esfera
disminuye cuando ésta aumenta su radio. La esfera crece espontáneamente haciendo
que los átomos que le rodean se adhieran al sólido. En este caso la esfera recibe el
nombre de núcleo. Durante la solidificación se forman muchos núcleos
simultáneamente y cada uno de ellos crecerá y formará un grano de material.
Fig. 6 formaciones de núcleos
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
11
La solidificación del material se da por medio de un proceso de nucleación y
crecimiento.
La nucleación se divide en dos tipos:
1. Nucleación Homogénea: cuando se juntan varios átomos y forman un núcleo
completamente rodeado de líquido.
2. Nucleación Heterogénea: cuando el núcleo se forma sobre impurezas o en
las paredes que contienen líquido. El núcleo no se encuentra totalmente
rodeado de líquido.
Fig. 7 tipos de núcleos
El área superficial del núcleo heterogéneo es menor, por lo que requiere de menor
cantidad de energía para formarse. Normalmente los procesos de solidificaciónλ
reales comienzan debido a una nucleación heterogénea. La nucleación homogénea
raras veces se da en la vida real. Cuando el material es puro, es decir cuando está
formado por átomos de la misma naturaleza química, todos los granos que se forman
durante la solidificación poseen la misma estructura cristalina. Cuando el material
posee impurezas (átomos de diferente naturaleza química), pueden formarse granos
con diferente estructura cristalina. La microestructura del material no es más que el
conjunto de granos (ya sean iguales o diferentes) observados por medio de un
microscopio óptico.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
12
Fig. 8 microestructura del acero
En la microestructura del material, al conjunto de granos que poseen la misma
estructura cristalina y las mismas propiedades se le llama fase. En la fotografía
anterior, el material está formado por dos fases: la fase clara y la fase oscura. Cada
fase está formada por muchos granos. Todos los granos que pertenecen a la misma
fase tienen la misma estructura cristalina y las mismas propiedades. En estado sólido,
un material puede poseer varias fases sólidas. La combinación de estas fases define
las propiedades del material.
2. FASE
En termodinámica y química, se denomina fase (del latín phase: partes o fase) a cada
una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades físicas
homogéneas que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan
homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o
sistemas heterogéneos.
Se debe distinguir entre fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el
grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
13
distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es
frecuente confundir fase y microconstituyente; por ejemplo, en un acero cada grano
de perlita es un microconstituyente, pero está formado por dos
fases, ferrita y cementita.
Los líquidos provenientes de diferentes reacciones suelen contener diferentes fases,
es decir, dos o más líquidos que se separan tras un corto tiempo en reposo,
generalmente se obtiene una fase acuosa y otra orgánica. Una fase posee
características físicas y químicas relativamente homogéneas y puede constar de uno o
varios compuestos. Sin embargo, cuando las propiedades de otro o más compuestos
difieren en tal grado que dejan de ser compatibles, entonces hay separación de fases.
Esta característica se observa, por ejemplo, al mezclar agua y aceite y dejarlos reposar
unos minutos. Se observa una línea divisoria o interface, dado que estos materiales no
son compatibles y se separan en fases.
Fase: porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes: un material puro, un líquido o un gas se consideran fases. Si una sustancia sólida puede existir en dos o más formas al mismo tiempo (por ej., puede tener tanto la estructura FCC como la BCC), cada una de estas estructuras es una fase separada.
Fig. 9 cambio de fase
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
14
3. COMPONENTE
Un componente es un elemento, un metal y/o un compuesto químico que forma parte
del sistema.
Un compuesto es una sustancia formada por la unión de dos o más elementos de
la tabla periódica. Una característica esencial es que tiene una fórmula química. Por
ejemplo, el agua es un compuesto formado por hidrógeno y oxígeno en la razón de 2 a
1 (en número de átomos): H2O.
En general, esta razón es debida a una propiedad intrínseca (ver valencia). Un
compuesto está formado por moléculas o iones con enlaces estables y no obedece a
una selección humana arbitraria. Por este motivo el bronce o el chocolate son
denominados mezclas o aleaciones, pero no compuestos.
Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por procesos físicos
(decantación, filtración, destilación, etcétera), sino sólo mediante procesos químicos.
4. SOLUBILIDAD
Solubilidad es una medida de la capacidad de disolverse una determinada sustancia
(soluto) en un determinado medio (solvente); implícitamente se corresponde con la
máxima cantidad de soluto disuelto en una dada cantidad de solvente a una
temperatura fija y en dicho caso se establece que la solución está saturada. Su
concentración puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o también en
porcentaje de soluto (m(g)/100 mL) . El método preferido para hacer que el soluto se
disuelva en esta clase de soluciones es calentar la muestra y enfriar hasta temperatura
ambiente (normalmente 25 C). En algunas condiciones la solubilidad se puede
sobrepasar de ese máximo y pasan a denominarse como soluciones sobresaturadas.
No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se
disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. En la
solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a
este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
15
más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en
éter etílico.
Entonces para que un compuesto sea soluble en éter etílico ha de tener escasa
polaridad; es decir, tal compuesto no ha de tener más de un grupo polar. Los
compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad, como
son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados.
El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del
proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las
soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y
del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la
tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de
interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar
agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.
La solubilidad se define para fases específicas. Por ejemplo, la solubilidad
de aragonito y calcita en el agua se espera que difieran, si bien ambos son polimorfos
de carbonato de calcio y tienen la misma fórmula molecular.
La solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas
intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y la variación de entropía que
acompaña a la solvatación. Factores como la temperatura y la presión influyen en este
equilibrio, cambiando así la solubilidad.
La solubilidad también depende en gran medida de la presencia de otras sustancias
disueltas en el disolvente como por ejemplo la existencia de complejos metálicos en
los líquidos. La solubilidad dependerá también del exceso o defecto de
algún ion común, con el soluto, en la solución; tal fenómeno es conocido como el efecto
del ion común. En menor medida, la solubilidad dependerá de la fuerza iónica de las
soluciones. Los dos últimos efectos mencionados pueden cuantificarse utilizando la
ecuación de equilibrio de solubilidad.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
16
Para un sólido que se disuelve en una reacción redox, la solubilidad se espera que
dependa de las posibilidades (dentro del alcance de los potenciales en las que el sólido
se mantiene la fase termodinámicamente estable). Por ejemplo, la solubilidad
del oro en el agua a alta temperatura se observa que es casi de un orden de magnitud
más alta cuando el potencial redox se controla mediante un tampón altamente
oxidante redox Fe3O4-Fe2O3 que con un tampón moderadamente oxidante Ni-NiO.
Fig. 10 soluciones solidas AB
La solubilidad (meta estable) también depende del tamaño físico del grano de cristal o
más estrictamente hablando, de la superficie específica (o molar) del soluto. Para
evaluar la cuantificación, se debe ver la ecuación en el artículo sobre el equilibrio de
solubilidad. Para cristales altamente defectuosos en su estructura, la solubilidad
puede aumentar con el aumento del grado de desorden. Ambos efectos se producen
debido a la dependencia de la solubilidad constante frente a la denominada energía
libre de Gibbs asociada con el cristal. Los dos últimos efectos, aunque a menudo difícil
de medir, son de relevante importancia en la práctico pues proporcionan la fuerza
motriz para determinar su grado de precipitación, ya que el tamaño de cristal crece de
forma espontánea con el tiempo.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
17
a. Solución Solida:
Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en
un disolvente. El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina
del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del
disolvente por un átomo del soluto (y formará una solución sólida
sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos de soluto
dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de
solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan,
aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad
física y eléctrica del material disolvente.
Fig. 11 solución solida
Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado
rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca
soluciones sólidas. La propensión de dos sustancias a formar una solución
sólida sustitucional es un asunto complicado que dependerá de las
propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los materiales en
cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas (con
solubilidad total) siempre que solvente y soluto tengan:
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
18
Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener
solubilidad total): Cuanto más similares sean, menor distorsión de red y
por tanto mayor solubilidad.
Igual estructura cristalina.
Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad
electroquímica para formar solución sólida. En caso de tener gran
afinidad electroquímica se pierde el carácter metálico y se refuerza el
carácter iónico o covalente en la aleación.
Similar valencia: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica
que el disolvente, se favorece la solubilidad.
Existen 2 tipos de soluciones solidas:
Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o
iones del solvente
Intersticial: Él átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la
celda unitaria del solvente.
b. Solución saturada: en las soluciones en que existe la mayor cantidad de
soluto capaz de mantenerse disuelto, a una temperatura estable, en un
solvente, se las conoce bajo el nombre de soluciones saturadas. En caso de
que se agregue mayor cantidad de soluto, la mezcla superaría su capacidad
de disolución.
c. Solución insaturada: estas soluciones, también conocidas bajo el nombre
de diluidas, son aquellas en las que la masa de solución saturada es, en
relación a la del soluto disuelta, mayor para la misma masa de solvente y a
igual temperatura.
5. LÍMITE DE SOLUBILIDAD
Límite de solubilidad: en muchas aleaciones y para una temperatura específica, existe
una concentración máxima de átomos de soluto. La adición de un exceso de soluto a
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
19
este límite de solubilidad forma otra disolución sólida o compuesto con una
composición totalmente diferente.
Fig. 12 límites de solubilidad
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
20
CAPITULO II
EQUILIBRIO DE FASES
1. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS
Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad
denominada temperatura empírica , que es común para todos los estados deθ
equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.
En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos
evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».
Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que
midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco
teórico de la termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en
el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del
sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión
lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del
tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su
vez está dentro de la físico química y no es parámetro debido a que a la
termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas
variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas
térmicas y dinámicas del sistema.
Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado
formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que
recibiese el nombre de principio cero.
La materia puede existir en diferentes estados (sólido, líquido, gas) en función de las
condiciones de temperatura, presión y composición. Además, un sólido puede poseer
diferentes estructuras atómicas bajo distintas condiciones. Los principios de la
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
21
termodinámica controlan el estado de equilibrio de un material (la fase o las
combinaciones de fases) en función de las condiciones de P, T y la composición.
Supongamos por ejemplo la energía potencial de un sistema:
Fig. 13 estados de equilibrio
Para un sistema a T y P determinadas, la función que mejor describe la energía de un
sistema es la energía libre de Gibbs G:
Variables intensivas: Temperatura, T (K); Presión, P (Pa); Variables extensivas (al
dividir por mol pasan a ser variables intensivas): Energía interna E (J/mol); Volumen
(molar), V (m3/mol), Entropía (J/K mol) fracción molar, X; potencial químico µ
(J/mol).
a. Energía Libre De Gibbs G
En termodinámica, la energía libre de Gibbs (energía libre o entalpía libre) es
un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con
unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para
una reacción química (a presión y temperatura constantes).
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
22
La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química
espontánea hace que la entropía del universo aumente, S universo > 0, asíΔ
mismo S universo está en función de S sistema y S alrededores. Por loΔ Δ Δ
general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el
cálculo de S alrededores puede ser complicado.Δ
Por esta razón fue necesaria otra función termodinámica, la energía libre de
Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea
tomando en cuenta solo las variables del sistema.
G=H−TS
donde H es la entalpía o contenido de calor; T es la temperatura y S es
la entropía del sistema. Fue desarrollada en los años 1870 por el físico-
matemático estadounidense Williard Gibbs.
La energía libre de reacción, se denota, G Δ reacción, es el cambio de energía en
una reacción a condiciones estándares. En esta reacción los reactivos en su
estado estándar se convierten en productos en su estado estándar.
Dada la siguiente ecuación química:
aA + bB cC + dD
La energía libre se calcula como:
ΔG reaccion=(c ΔG f (C )+d ΔGf (D ) )−(a ΔGf ( A )+b ΔGf (B ))
Donde A y B son los reactivos en estado estándar y; C y D son los productos en
su estado estándar. Además a, b, c y d son sus respectivos coeficientes
estequiométricos. En general:
ΔG reacc ion=∑i
ni ΔGf ( productos)−¿∑j
miΔG f (reactivos )¿
Donde ni y mj son la multiplicación de los coeficientes estequiométricos.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
23
Así como en el cálculo de la entalpía, en la energía libre estándar de formación
para cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25ºC) es 0
La variación de energía libre de Gibbs para un proceso a temperatura
constante viene dada por:
G=H−TS . Δ S
La temperatura puede ser un factor determinante a la hora de hacer que un
proceso sea espontáneo o no lo sea.
b. Equilibrio
En termodinámica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio
termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio
de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas
determinadas condiciones de contorno, (las condiciones que le imponen sus
alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio
térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.
El general de un sistema termodinámico en equilibrio queda determinado por
los valores de sus cantidades y parámetros intensivos tales como: la presión,
la temperatura, etc. Específicamente, el equilibrio termodinámico se
caracteriza por tener un valor mínimo en sus potenciales, tales como la energía
libre de Helmholtz, es decir, sistemas con temperatura y volumen constantes
siempre y cuando:
A = U – TS , A = 0Δ
O la energía libre de Gibbs, es decir, en sistemas caracterizados por tener la
presión y las temperaturas constantes:
G = H – TS , G = 0Δ
El proceso que gobierna un sistema hacia el equilibrio termodinámico se
denomina entropía. Un ejemplo de este tipo de procesos es el que tiene lugar
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
24
en un sistema de partículas interactuantes y que se abandona a sus propias
influencias. Un sistema tal y como este intercambia energía/momentum entre
las partículas que lo constituyen hasta que las variables macroscópicas que
definen el sistema permanecen invariables en el tiempo.
La termodinámica clásica trata, casi siempre, de transformaciones entre
estados de equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado que ha repartido
sus variables hasta que no hay cambios. En el estado de equilibrio no hay
potenciales sin balancear (o fuerzas perturbadoras) con el sistema. Un sistema
se dice que ha llegado al equilibrio termodinámico cuando no experimenta
cambios al haber sido aislado de su entorno.
Fig. 14 equilibrios
Dos sistemas se dicen que están en equilibrio térmico cuando el valor de
sus temperaturas es la misma.
Dos sistemas se dicen que están en equilibrio mecánico cuando el valor de
sus presionases la misma.
Dos sistemas se dicen que están en equilibrio de fases cuando el valor de
sus potenciales químicos es el mismo en cada fase en que se encuentre
presente la especie.
Todas las fuerzas están balanceadas.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
25
i. Meta Estable:
La metaestabilidad es la propiedad que un sistema con varios estados
de equilibrio, tiene de exhibir, durante un considerable espacio de
tiempo, un estado de equilibrio débilmente estable. Sin embargo, bajo
la acción de perturbaciones externas (a veces no fácilmente
detectables) dichos sistemas exhiben una evolución temporal hacia un
estado de equilibrio fuertemente estable. Normalmente la
metaestabilidad es debida a transformaciones de estado lentas.
Si representamos un sistema físico-químico por su energía potencial,
un estado metaestable estará caracterizado por un estado que
corresponde a un pseudo-mínimo de energía. Para que el sistema
pueda alcanzar el estado de energía mínima que corresponde al
estado de equilibrio termodinámico, es necesario suministrarle una
cantidad de energía llamada energía de activación.
Fig. 15 Un sistema metaestable con un estado débilmente estable (1),
un estado inestable de transición (2) y un estado fuertemente estable
(3).
En física, un estado metaestable es un estado que es un mínimo local
de energía, que no es totalmente estable bajo perturbaciones del
sistema por encima de cierta magnitud.
El agua en sobrefusión. Las gotas de agua pura en suspensión en un
aire también muy puro no se congelan a los 0 °C, sino que siguen en
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
26
estado líquido hasta alcanzar los - 39 °C. Este estado de sobrefusión
cesa bruscamente cuando la gota entra en contacto con un cuerpo
externo (como un cristal de hielo).
Para un isótopo radioactivo, el estado de inestabilidad está
caracterizado por el período radiactivo de desintegración, más o
menos largo (abarcando desde minutos hasta varios siglos e incluso
millones de años).
2. REGLA DE FASES DE GIBBS
Para que un sistema esté en equilibrio el líquido tiene que ser homogéneo y las fases
están a la misma temperatura para que no haya intercambio de calor entre ellas. Los
elementos que caracterizan un sistema en equilibrio son:
Número de componentes Número de fases Grado de libertad
El grado de libertad es el número de variables independientes que se dan en las
condiciones de equilibrio. Son: P (presión), T (temperatura) y concentración.
Fig. 16 Equilibrio De Fases Termodinámico
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
27
CAPITULO III
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES
1. INTRODUCCIÓN
Los diagramas de fase son representaciones gráficas a varias temperaturas, presiones
y composiciones del sistema bajo análisis. Los diagramas de equilibrio de fase son
mapas (por ejemplo, en el espacio temperatura-presión o temperatura-composición)
de las fases de equilibrio de un material en función de las condiciones de P, T y
composición.
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 y predecir muchos aspectos del comportamiento de los
materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus
composición.
Información que podemos obtener de los diagramas de fase:
Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas
bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).
Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento
(o compuesto) en otro.
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de
equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la
solidificación.
Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.
A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases
están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que
inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico
de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
28
diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles
son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar
las fases presentes.
Fig. 17 diagrama de fases
2. DIAGRAMA DE FASE DE EQUILIBRIO (MONO COMPONENTE)
Vamos a centrarnos en el estudio del equilibrio de fases en sistemas formados por un
solo componente. Para especificar el estado termodinámico de un sistema formado
por una sustancia pura el número variables intensivas independientes que hay
conocer (grados de libertad) es:
Si hay presente una fase, L=1componente-1fase+2=2 variables, es necesario
especificar por ejemplo la P y la T
Si hay presente dos fases, L=1componente-2fases+2=1 variable, es necesario
especificar sólo P o T
Si hay presente tres fases, L=1componente-3fases+2=0 variables
Por tanto podemos representar cualquier estado de equilibrio del sistema formado
por una sustancia pura mediante un punto en un diagrama bidimensional de presión-
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
29
temperatura. Este diagrama se denomina diagrama de fases. Un ejemplo del diagrama
de fases de una sustancia pura se muestra en la figura. (fig. 18)
En el diagrama de la figura las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P,T) en las
que coexisten dos fases:
En AB coexisten en equilibrio sólido y gas. La curva AB es la curva de presión
de vapor del sólido
En BD coexisten en equilibrio sólido y líquido.
En BC coexisten en equilibrio líquido y gas.
El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y
gas, y se denomina Punto Triple. Este punto, que indica la temperatura mínima a la
que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse
como referencia para calibrar termómetros.
El punto C indica el valor máximo (PC,TC) en el que pueden coexistir en equilibrio dos
fases, y se denomina Punto Crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
30
puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores
que TC y PC se denominan fluidos supercríticos.
Definiciones:
Punto de ebullición: se define punto de ebullición de un líquido a la presión P,
como la temperatura a la cual la presión de vapor de equilibrio del líquido es
igual a dicha presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de
ebullición es T2. La curva BC representa la presión de vapor del líquido en
función de la temperatura, y/o la temperatura de ebullición en función de la
presión
Punto de fusión: se define punto de fusión de un sólido a la presión P, como la
temperatura a la cual el sólido y el líquido se encuentran en equilibrio a dicha
presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de fusión de la
sustancia será T1.
Si la presión es de 1 atmósfera (o más correctamente, de 1 bar) a estos puntos
se les denomina punto de ebullición y punto de fusión
normales respectivamente.
a. Ejemplo: Diagrama De Fases Del Agua
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
31
b. Ecuación De Clausius Clapeyron
La ecuación de Clapeyron permite calcular la pendiente de una línea de
equilibrio entre dos fases en el diagrama de fases P-T de un sistema de un
componente.
Esta ecuación relaciona la dependencia de la temperatura y la presión de vapor
de un líquido con el calor de vaporización.
Clausius introdujo esta modificación de la ecuación de Clapeyron luego de
aproximadamente 30 años con el fin de mejorar la versatilidad de la expresión.
Así pues, la ecuación de Clapeyron puede expresarse en una forma aproximada
conveniente cuando se trata de los equilibrios de vaporización y sublimación.
En estos casos, el volumen molar del gas ( ) es mucho mayor que el de la
fase condensada ( ), siendo pues prácticamente igual a ( ).
Con esta aproximación se establece que:
dPdT
= ΔH vaporizaciono sublimacionTVgas
A esta ecuación es a la que se le llama de Clausius – Clapeyron, pero si
además se supone comportamiento de gas ideal, entonces:
Vgas=RTP
Al sustituir V , conduce a: , la cual puede ser modificada a la
forma de una ecuación diferencial que es la de empleo más difundido de la
ecuación de Clausius – Clapeyron:
d ¿¿
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
32
d ¿¿
La cual da por integración:
d ¿¿
Consideraciones sobre la ecuación de Clapeyron:
En un cambio de fase líquido-vapor, tanto H como V son positivos, por tantoΔ Δ
la pendiente de la línea de equilibrio líquido-vapor es positiva. Lo mismo
sucede con la línea sólido-vapor.
En un cambio de fase sólido-líquido, H es positivo y en general V también,Δ Δ
por lo tanto la pendiente de esta línea también será positiva. Existen sin
embargo algunas excepciones como el H2O, Ga o Bi debido a una disminución
de volumen que sufren estos componentes al fundirse, en estos casos la
pendiente de la línea de equilibrio sólido-líquido será negativa.
En el cambio de fase sólido-líquido V es mucho menor que en los cambios deΔ
fase sólido-gas o líquido-gas. Por esta razón la pendiente en el primer caso es
mucho mayor que en los últimos.
d ¿¿
Ecuación de Clausius Clapeyron
3. DIAGRAMA DE FASES BINARIAS
Muchas combinaciones de dos elementos producen diagramas de fases más
complicados que los sistemas isomorfos. Estos sistemas contienen reacciones que
implican tres fases independientes. En la figura aparecen definidos cinco de ellos.
Cada una de las reacciones puede ser identificada en un diagrama de fases complejo
mediante el procedimiento siguiente:
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
33
Localice una línea horizontal en el diagrama de fases. La línea horizontal
que indica la presencia de una reacción de tres fases representa la
temperatura a la cual ocurre la reacción en condiciones de equilibrio.
Localice tres puntos distintos en la línea horizontal: los dos extremos,
más un tercer punto, a menudo cerca del centro de la línea horizontal. El
punto central representa la composición a la cual ocurre la reacción de
tres fases.
Busque directamente por encima del punto central e identifique la fase
o fases presentes; busque inmediatamente por debajo del punto central
e identifique la fase o fases presentes. A continuación escriba, en forma
de reacción, la fase o fases por encima del punto central que se
transforman en la fase o fases por debajo del punto. Compare esta
reacción con las de la figura para identificarla.
Las reacciones eutécticas, peritectica y monotéctica forman parte del proceso de
solidificación. Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldadura a menudo
aprovechan el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de
las aleaciones monotécticas tiene un domo o zona de miscibilidad, en donde coexisten
dos fases líquidas. En el sistema cobre-plomo, la reacción monotéctica produce
minúsculos glóbulos de plomo disperso, que mejoran la capacidad de maquinado de la
aleación de cobre. Las reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de
equilibrio y a la segregación.
Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones exclusivas al 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,
produciendo en las aleaciones estructuras fuera de equilibrio no deseables.
Al existir dos componentes en el sistema en consideración la regla de las fases queda:
F + P = 4 Luego, para representar gráficamente el campo de estabilidad de una región
homogénea (monofásica) se requieren 3 variables, lo que hace necesario el sistema en
un diagrama tridimensional. Por lo tanto,
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
34
1 fase: bivariante (F=2)
2 fases: univariante (F=1)
3 fases: invariante (F=0)
Por conveniencia se suelen mantener P o T constantes y se representa gráficamente
un sistema de fases bidimensionales, que es un corte transversal de la representación
tridimensional.
Fig. 19 diagrama de fase binario
a. Tipos
i. Solubilidad Total En Fase Sólida Y Liquida (Aleación Isomorfa)
Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para
cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.
Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede
elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
35
fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En
los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos
componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.
Fig. 20 cambio de la composición a medida que cambia la
temperatura
La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidos. Se
debe calentar una aleación por encima de líquidos para producir una
aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un
producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la
temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidos.
La temperatura de sólidos es la curva inferior. Una aleación de este
tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por
debajo de la temperatura de sólidos. Si se utiliza una aleación cobre-
níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura
durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de
sólidos, de manera que no ocurra fusión.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
36
Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de
temperatura, entre el líquido y el sólido. La diferencia de temperatura
entre líquidos y sólidos se denomina rango de solidificación de la
aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una
sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos
involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante
una letra minúscula griega, como ahpla.
A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa
saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por
fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté
líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un
componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme
líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de
carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y
composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes.
Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de
cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se
expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la
aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación. Si la
composición original de la aleación se modifica, entonces también
deberá modificarse la de la fase.
Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus
composiciones diferirán entre sí como de la composición general
original, Si ésta cambia ligeramente, la composición de las dos fases no
se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.
1. Ejemplo Aleación Cu-Ni
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
37
Fig. 20 Aleación isomorfa
ii. Separación De Fase:
Existen muchos procesos en la naturaleza caracterizados por
fenómenos de separación de fases. Por ejemplo,
en muchos procesos industriales relacionados con la
producción de aleaciones metálicas;
en mezclas binarias y soluciones;
en mezclas de polímeros.
En todos estos ejemplos es necesario entender en qué condiciones los
componentes metálicos forman un sólido homogéneo y en qué otras
condiciones se separan en fases de distinta composición.
La separación de fases tiene lugar cuando un sistema homogéneo se
encuentra en unas condiciones termodinámicas inestables, en las que
el sistema, en equilibrio, sólo puede estar en forma de dos fases
separadas por una interface. Los procesos que dan lugar al estado in
homogéneo final a partir del estado homogéneo inicial son lo que se
conoce como separación de fases. En ella se distinguen dos etapas: en
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
38
la primera se forma una estructura inicial, micro dominios de las dos
fases, que luego crecen mediante diversos procesos en una segunda
etapa. Estos procesos son más o menos comunes, pero lo que ocurre
en la primera etapa depende de las condiciones termodinámicas
iniciales.
Si el sistema se encuentra en la región inestable del diagrama
de fases, se forma una estructura finamente dispersa por todo
el sistema. Es lo que se conoce como descomposición
espinodal.
Si el sistema se encuentra en la región estable, se forman
concentraciones localizadas de la fase minoritaria, los llamados
núcleos críticos, que han de superar una determinada barrera
de nucleación. Es lo que se denomina nucleación.
Fig. 21 nucleación
1. Ejemplo Cr-W
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
39
Fig. 22 separaciones de fases
iii. Sistema Eutéctico Con Solubilidad Parcial
En la Unidad anterior se analizó el endurecimiento por aleación con
solubilidad completa en estado sólido, en condiciones de enfriamiento
reversible e irreversible, y aquellas aleaciones que mostraban
transformación eutéctica. Cuando las aleaciones muestran una
limitación en su solubilidad en estado sólido, podemos encontrarnos
con dos tipos de transformaciones, como resultado de la saturación
del soluto o de transformaciones alotrópicas en el metal o la aleación,
lo que lleva a la transformación eutectoide.
a) Las aleaciones correspondientes al primer tipo,
corresponden a aquellas en las que sucede una solubilidad variable
con la temperatura, total a altas temperaturas y limitada a bajas
temperaturas. Esto permite la precipitación de segundas fases en
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
40
estado sólido, tras aplicaciones de enfriamiento irreversible, lo que
permite el endurecimiento por envejecimiento.
b) Las aleaciones correspondientes al segundo tipo
presentan transformación eutectoide; que describe el cambio de
estructura cristalina a velocidades de enfriamiento calificadas de
reversibles termodinámicamente.
El objetivo es, por tanto, analizar los endurecimientos en cada una de
las transformaciones indicadas en este tipo de aleaciones y sus
tratamientos asociados, lo que nos llevará a:
Definir los procesos que justifican cada una de las
transformaciones.
Determinar sus variables de control e influencia sobre el
proceso.
Correlacionarlas con las características resistentes.
Justificar las aplicaciones más específicas.
1. Ejemplo Ag-Cu
Fig. 23 sistema eutéctico
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
41
iv. Diagrama De Fases Con Compuestos Intermedios
Primero se describe qué es un compuesto. La mayoría de los
compuestos químicos son combinaciones de elementos con valencia
positiva y negativa. Las diversas clases de átomos se combinan en una
proporción definida, expresada mediante una fórmula química.
Ejemplos típicos son el agua (H2O) y la sal de mesa (NaCl). Los átomos
combinados para formar la molécula se mantienen juntos por medio de
un enlace definido. El enlace suele ser fuerte y los átomos no se pueden
separar fácilmente. Cuando se forma un compuesto, los elementos
pierden en gran medida su identidad individual y sus propiedades
características. Por ejemplo, el sodio es un metal muy activo que se
oxida rápidamente, razón por la cual se lo almacena en kerosene. El
cloro es un gas venenoso. Sin embargo, un átomo de cada uno de ellos se
combina para formar un compuesto inofensivo, la sal común de mesa.
Particularmente en las aleaciones, los compuestos químicos pueden ser
estequiométricos o no. Si son estequiométricos, tienen una fórmula
química definida. O bien, puede ocurrir un grado determinado de
sustitución atómica que da lugar a desviaciones con respecto a la
estequiometria. En un diagrama de fases, los compuestos que aparecen
como una sola línea vertical son los compuestos estequiométricos. Los
compuestos que aparecen como un intervalo de composición son los no
estequiométrico. Los compuestos poseen, en su mayoría, una mezcla de
enlaces metálicos-iónicos o metálicos-covalentes. El porcentaje de
enlaces iónicos o covalentes depende de la diferencia en
electronegatividades de los elementos participantes.
Los compuestos más comunes que se encuentran en las aleaciones son:
Compuestos intermetálicos: Se forman por metales no similares
químicamente y se combinan siguiendo las reglas de valencia química.
Suelen tener un enlace fuerte (iónico o covalente) y sus propiedades son
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
42
esencialmente no metálicas. Por lo general no son dúctiles y tienen baja
conductividad eléctrica. Pueden tener estructuras cristalinas complejas.
Compuestos intersticiales: Se forman por la unión entre elementos de
transición (Ti, Ta, W, Fe) con elementos intersticiales (C, H, O, N, B).
Éstos últimos son llaman intersticiales por su pequeño tamaño,
comparado con los intersticios de las estructuras cristalinas de los
elementos de transición. Adicionalmente al compuesto intersticial, estos
átomos pequeños forman soluciones sólidas intersticiales con cada uno
de estos elementos de transición. Los compuestos intersticiales pueden
tener intervalos de composición muy reducidos, altos puntos de fusión y
son extremadamente duros.
El carburo de hierro (Fe3C) es un compuesto extensamente estudiado en
los aceros, recibiendo el nombre de cementita. Si bien cae claramente en
la clasificación de “compuesto intersticial”, es muy frecuentemente
llamado “compuesto intermetálicos”, a pesar de que el carbono es un
intersticial y además no metálico. En estos casos, el término “compuesto
intermetálicos” es un término general que hace referencia a todos los
tipos de compuestos encontrados en aleaciones. Teniendo lo anterior en
cuenta, se puede definir en forma general a un compuesto
intermetálicos como un compuesto formado por dos metales (o un
metal y un no metal) que tiene una fórmula química definida. Esto
significa que producen una nueva fase con composición, estructura
cristalina, y propiedades propias. En el diagrama de fases aparece como
una fase intermedia que existe en un intervalo de composiciones muy
estrecho (casi una línea vertical).
1. Ejemplo Mg-Pb
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
43
Fig. 24 compuestos intermedios
v. Puntos Singulares
1. Reacciones Invariables
Las reacciones eutécticas, peritectica y monotéctica forman
parte del proceso de solidificación. Las aleaciones que se utilizan
para fundición o soldadura a menudo aprovechan el bajo punto
de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de las
aleaciones monotéctica tiene un domo o zona de miscibilidad, en
donde coexisten dos fases líquidas. En el sistema cobre-plomo, la
reacción monotéctica produce minúsculos glóbulos de plomo
disperso, que mejoran la capacidad de maquinado de la aleación
de cobre. Las reacciones peritectica conducen a la solidificación
fuera de equilibrio y a la segregación.
Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones
exclusivas al estado sólido. La reacción eutectoide forma la base
del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones,
incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
44
lenta, produciendo en las aleaciones estructuras fuera de
equilibrio no deseables.
a. Reacción Eutéctica
Para analizar el diagrama de fase eutéctico usaremos el
sistema plomo-estaño, El cual contiene solamente una
reacción eutéctica simple (figura). Este sistema de
aleación es la base de las aleaciones más comunes para
soldadura. Se puede apreciar en el gráfico que la
temperatura de fusión de la composición eutéctica es
menor que la temperatura de fusión de cada uno de los
materiales componentes.
FIG. 25 Diagrama de fases en equilibrio plomo-estaño.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
45
b. Reacción Eutectoide
Transformación de fases en que una fase sólida se
transforma, por enfriamiento, en dos fases sólidas, es
decir, todas las fases involucradas en la reacción son
sólidas. Se produce por difusión en estado sólido.
S1 --> S2 + S3
Como ejemplo de la forma en que se puede utilizar la
reacción eutectoide para controlar la microestructura y
las propiedades de una aleación, examínese el diagrama
de fases Fe-Fe3C (figura) que forma la base de los aceros
y de los hierros fundidos. Deberán notarse las siguientes
características.
FIg. 26 Diagrama de fases Fe- Fe3C. La línea vertical a 6.67% C es el compuesto estequiométrico Fe3C.
c. Reacción Peritectica
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
46
Esta reacción se presenta particularmente si los puntos de
fusión de los dos componentes son completamente
diferentes.
Reacción peritectica: Transformación de fases en que, por
enfriamiento, una fase líquida reacciona con una fase
sólida para formar una fase sólida nueva y diferente.
Fig. 27 Un diagrama de equilibrio peritectica generalizado
4. INTERPRETACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASES
Nomenclatura Letras griegas minúsculas (a, ß, , etc.)γ : cada una de ellas representa
una solución sólida.
Liquidas: Línea que separa los campos de fases L y (L+a). Por encima de la línea
liquidas, se tiene fase líquida a todas temperaturas y composiciones.
Solidas: Línea que separa los campos de fases a y (L+a). Por debajo de la línea
sólidas, se tiene fase sólida (a) a todas temperaturas y composiciones.
Determinación de las fases presentes
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
47
a) Localizar en el diagrama el punto definido por la temperatura y composición
de la aleación.
b) Identificar las fases presentes en el campo de fases correspondiente.
Determinación de las composiciones de cada una de las fases
a) Localizar en el diagrama el punto definido por la temperatura y composición de la
aleación.
Para regiones monofásicas: la composición de la fase coincide con la
composición global de la aleación.
Para regiones bifásicas, proceder con el punto b)
b) En el punto de interés (definido por la T y la composición) trazar una isoterma,
extendiéndose a través de la región bifásica y terminando en las líneas de límites de
fases a cada lado.
c) Observar las intersecciones de la isoterma con los límites de fases a cada lado.
d) Trazar líneas perpendiculares a la isoterma a partir de las intersecciones hasta el
eje horizontal de composiciones.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
48
e) Leer las composiciones de cada fase según cuál es el límite de la región que
intercepta la isoterma.
a. Zona Bifásica: Proporción De Cada Fase
b. La Ley De La Palanca
Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca
sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la
aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la
fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para
obtener la cantidad de dicha fase.
En general la regla de la palanca se puede escribir de esta forma:
porcentaje de fase= brazo opuestolongitud totalde isoterma
∗100
Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un
diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
49
regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha
fase presente). Pasos para calcular las composiciones:
Dibujar la isoterma.
Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
50
Dividir el largo del opuesto por la isoterma:
d) El resultado se multiplica por 100.
5. CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE FASE
Los diagramas de equilibrio para componentes que son completamente solubles entre
sí en estado sólido se construyen después de realizar una serie de curvas de
enfriamiento para distintas composiciones de la aleación. Tomaremos como ejemplo
el sistema Cu-Ni, y el proceso se muestra en la figura 28.
Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran un valor fijo de temperatura
de fusión: cuando se enfría un metal puro y pasa del estado líquido al sólido, la
temperatura se mantiene constante mientras dura la solidificación (ver línea AB para
el Cu puro y CD para el Ni puro de la figura 28a). Una vez solidificado el metal la
temperatura continuará bajando, si nada se lo impide, hasta llegar a temperatura
ambiente.
La temperatura de fusión de una aleación binaria, en cambio, no es fija: depende de las
proporciones de cada componente, y no tienen un único valor sino que se representa
mediante un intervalo. En la figura 28a, L1, L2, L3 y S1, S2, S3 representan el principio
y el final respectivamente de la solidificación de una aleación de proporciones 80%Cu-
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
51
20%Ni; %50%Cu-50%Ni y 20%Cu-80%Ni. Todas las composiciones de aleaciones
intermedias muestran curvas de enfriamiento similar. Cuántas más curvas de
enfriamiento intermedias se calculen mayor exactitud tendrá el diagrama de fases que
se construya.
El sentido del diagrama de fases se obtiene al dibujar una línea que relacione todos los
puntos que corresponden al principio de la solidificación (L1, L2, L3 …) y otra que una
todos los puntos en los que se produce el final de la solidificación (S1, S2, S3 …). El
diagrama de fases real se determina representando gráficamente la temperatura
frente a la composición. Los puntos a representar se toman de la serie de curvas de
enfriamiento y se llevan al nuevo diagrama, que resulta tal como se presenta en la
figura 28b.
Fig. 28
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
52
6. RELACIÓN ENTRE DIAGRAMAS DE FASE Y MICROESTRUCTURAS
Relación entre diagramas de fase-microestructura – Ejemplos de microestructuras de
enfriamiento lento (“equilibrio”) típicas – Hipótesis: La velocidad de enfriamiento es
tan lenta que el equilibrio se alcanza en cada instante del proceso.
Vamos a ver ejemplos de microestructuras de enfriamiento lento (“equilibrio”) típicas
(a) Solubilidad total en fases sólido y líquido (Sistema Cu-Ni)
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
53
(b) Sistema eutéctico: Pb-Sn.
(b) Sistema eutéctico: Pb-Sn. Aleación de composición C4
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
54
7. EL DIAGRAMA DE FASES FE-C (ACEROS)
El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue
establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La
elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968
los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este
diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran
aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están
expuestos en las obras de I. Kornilov. Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo
de aleaciones que forman una composición química.
El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado
ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama
comprende dos sistemas:
1. Fe-Fe3C (metalestable); este sistema está representado en el diagrama con
líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las
aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);
2. Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema
expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y
atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre
(grafito).
Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas
se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas
(Fe-Fe3C y Fe-C).
La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida
por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. En la figura
# 01 muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro – carbono. Esta la
parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro,Fe3C , que
contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de
equilibrio hierro – carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio,
pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
55
hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono
(grafito).
Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto
importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases
sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del
estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide:
calor
En donde yson fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.
La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es
necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutécticas y las
eutectoide, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar
capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro
que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los
metales.
Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo
de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que
pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro , hierro y
cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la figura
# 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo,
dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro
(Fe3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este
último elemento. Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad
de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por
ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una
estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono.
El otro componente del diagrama, el hierro, existe e dos alótropos sólidos o formas
definidas de cristal. El hierro alfa, que es el alótropo a la temperatura ambiente, tiene
una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
56
ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una
estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y
ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una
comparación verdadera. El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se
encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos yα
se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas deλ
carbono en el hierro. Es conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma
contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por
ciento de carbono. La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra
tanto en el acero como en el hierro colado.
Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente
enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe
una correlación entre las propiedades y la microestructura.
Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una
temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF
(1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento
de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de
sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La
austenita sólida tiene la misma composición del líquido del que se formó, y contiene
0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos
equiaxiales de austenita, como se demuestra en la figura #03 (b) (4). A unos 1500 ºF
(816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita.
A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los
antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo
condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los
granos de aquellas que están presentes. En este ejemplo a la nueva fase se le llama
proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la
estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en
aceros hipereutectoides, la cementita es proeutctoide.) conforme la temperatura se
acera a 1333 ºF (724 ºC), aumenta la cantida de ferrita y su composiciónvaría hacia el
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
57
0.03 por ciento de carbono. Al mismo tiempo, la cantidad de austenita se reduce y su
composcición se acerca al 0.8 por ciento de carbono. A 1400 ºf(760 ºC), la austenita
tiene una composición de de 0.6 por ciento de carbono y la ferrita 0.02 por ciento de
carbono. De acuerdo con el principio de la palanca, el porcentaje de austenita es
(0.28/0.58)*100=48% , y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% . A 1334
ºF (725 ºC), la estructura se compone del 36 por ciento de que contiene 0.8 por
ciento de carbono y 64 por ciento de que, a su vez, contiene 0.03 por ciento de
carbono. A 1333 ºF (724 ºC), la austenita restante experimenta una transformación en
la estructura eutectoide conocida con el nombre de perlita. La perlita se froma
siempre a partir de la austenita a 1333 ºF (724 ºC) en condiciones de equilibrio.
Puesto que a sta temperatura la austenita contiene invariablemente 0.8 por ciento de
carbono, la perlita en la que se transforma contiene siempre 0.8 por ciento de
carbono. La perlita se compone de 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.
La composición de la perlita puede determinarse mediante el uso de a regla de la
palanca, utilizando 0.8 por ciento de carbono como la ubicación del punto de apoyo,
0.02 por ciento de carbono como la composición de y 6.7 por ciento de carbono como
la composición de la cementita. Así pues, a temperaturas inferiores a 1333 ºF (724ºC),
la estructura final correspondiente a una composición total de 0.3 por ciento de
carbono consiste en una fase grande (64 por ciento) y continua, y una cantidad más
pequeña (36 por ciento) de perlita. La cantidad de perlita es la misma que la de
austenita de la que se formó: esto es, , que existía a temperaturas levemente
superiores a 1333 ºF (724ºC). Está presente en la aleación que estamos estudiando,
como islas de perlita aisladas en un mar de ferrita. Estas islas se denominan con
frecuencia colonias de perlita y el mar, matriz. La microestructura que existe
inmediatamente después de la transformación de la austenita en perlita, se mantiene
básicamente invariable al efriarse a la temperatura ambiente.
Cuando la composición total es del 0.8 por ciento de carbono, la solidificación se
inicia alrededor de los 2700 ºF (1485 ºC) y concluye aproximadamente 2500 ºF (1370
ºC). A una temperatura muy levemente superior a 1333 ºF (724 ºC), la estructura
consiste en cristales homogéneos de austenita que contienen 0.8 por ciento de
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
58
carbono. A exactamente 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en una
estructura totalmente perlítica cuya composición y forma es la anteriormente
descrita. En condiciones que se acercan al equilibrio, la transformación de austenita
en perlita se produce a una temperatura constante. Para esta composición en
particular (0.8 por ciento de carbono), no existe una fase continua masiva
correspondiente la ferrita de aleación de 0.3 por ciento de carbono. Es este caso,
como en los de enfriamiento equilibrado, la perlita consta de 88 porciento de alfa y 12
por ciento de cementita y contiene 0.8 por ciento de carbono.
Al enfriar acero derretido que contiene 1.1 por ciento de carbono, la solidificación se
inicia a aproximadamente 2675 ºF (1470 ºC). A 1500 ºF (816 ºC), la austenita
homogénea comienza a precipitar cementita en los límites de los granos. La formación
de la nueva fase sigue el mismo patrón que la precipitación de la ferrita en la
austenita: la mayor parte de la formación de núcleos se registra alrededor de los
límites de los granos. Es así como se forma la red de cementita que rodea los límites
de grano, conforme sale de la solución una cantidad cada vez mayor de cementita. A
una tempertatura de 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone de un 95 por ciento
de y 5 por ciento de Fe3C. Estos porcentajes se determinan mediante la aplicación de
la regla de la palanca:
Cantidad de :
= [ (6.7-1.1) / 6.7-0.8) ] * 100 = 95 por ciento
La cantidad de Fe3C es:
Fe3C = [ (1.1 – 0.8) / (6.7 – 0.8)] * 100 = 5 por ciento
Al descender la temperatura por debajo de 1333 ºF (724 ºC), la austenita se
transforma en perlita como siempre lo hace a esta temperatura. La red de cementita
no se ve afectada por la disminución de temperatura; por lo tanto, la estructura final
se compone del 95 por ciento de perlita rodeada de una red delgada de cementita.
Puesto que la perlita que se forma lentamente tiene siempre la misma composición y
estructura, debe contener 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
59
Veamos el enfriamiento de una aleación derretida de hierro y carbono que contiene
2.5 por ciento de carbono. En esta aleación los núcleos de austenita comienzan a
formarse a aproximadamente 2425 ºF (1330 ºC), como puede observarse en la figura
# 03. Conforme se desarrolla el enfriamiento, aumenta la cantidad de sólidos hasta
que, ligeramente por encima de 2066 ºF (1130ºC), la masa consta de 78 por ciento de
gamma y 22 por ciento de líquido. Este contiene 4.3 por ciento de carbono y se conoce
como la composición eutética. Al disminuir la temperatura por debajo de 2066 ºF
(1130 ºC), la red líquida se solidifica para formar el sólido eutético, ledeburita. Para
esta y otras aleaciones similares, el sólido eutético se compone de núcleos de
austenita rodeados por una matriz de cementita como se muestra en la figura #02 (b)
y en el bosquejo de la figura # 03. Conforme avanza el enfriamiento, la austenita
precipita a la cementita, tanto en la fase primaria, como en la eutética. Esto puede
determinarse a partir del diagrama de hierro y carburo de hierro, que muestra que
aunque la austenita puede disolver 2.0 por ciento de carbono a 2066 ºF (1130 ºC),
solo se puede disolver 0.8 por ciento de carbono a 1333 ºF (724 ºC). A 1333 ºF (724
ºC), la austenita se transforma en perlita. Así pues, la estructura final se compone de
grandes colonias de perlita (de cristales primarios de austenita) además de pequeñas
colonias de perlita (de austenita eutética), en una matriz de cementita eutética. Las
pequeñas colonias de perlita y la cementita que la rodea, producen la estructura
eutética que se conoce como ledeburita. La aleación que acabamos de describir tiene
una estructura típica del hierro colado blanco.
No se analiza la estructura de las aleaciones hipereutéticas, debido a que no se
encuentran normalmente en la práctica.
Correlación de las propiedades y la estructura de las aleaciones de hierro y
carbono enfriadas lentamente. El examen de la figura # 03 muestra que las
propiedades mecánicas de las aleaciones de hierro y carbono varían ligeramente y
continuamente con los cambios en el contenido de carbono. De hecho, tanto la
estructura, como las propiedades dependen de dicho contenido de carbono. Al
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
60
aumentar el contenido de este último, disminuye la cantidad de ferrita libre, hasta
llegar al 0.8 por ciento de carbono no queda nada de este compuesto y la estructura se
compone solo de eutectoide. Mas allá del 0.8 por ciento de carbono, la fase continua es
de cementita dura y quebradiza. Cuando la composición es tal, que la fase continua es
blanda y dúctil, la aleación tiende también a serlo; por otra parte, una fase continua
dura y quebradiza dará como resultado una aleación de las mismas características.
Además, tanto la cantidad, como la calidad de la fase continua, ejercen un efecto sobre
las propiedades. Si aumenta la cantidad de ferrita blanda y dúctil, las aleaciones se
hacen más blandas y dúctiles. Estas correlaciones entre las propiedades y la
microestructura han producido una generalización importante aplicable a las
aleaciones heterogéneas: las propiedades de una aleación heterogénea tienden a ser
regidas por las propiedades y la cantidad de la fase continua. Las propiedades reciben
también la influencia de la distribución de las fases (tanto continuas como
discontinuas).
Solidificación de aceros
En su forma más simple, los aceros son aleaciones del hierro (FE) y del carbón (C). el
diagrama de fase de Fe-C se muestra abajo, hasta alrededor del carbón 7%. Esto es
un diagrama de fase bastante complejo pero, como estamos solamente interesados en
los aceros parte del diagrama que podemos hacer algunas simplificaciones.
Los aceros han sido tan importantes para los ingenieros por tan muchos años que
cada fase ha heredado un nombre así como una carta griega.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
61
La fase gamma se llama austenite. Austenite es una fase de alta temperatura y tiene
una estructura cúbica centrada cara (FCC) [que sea una estructura pila de discos
cercana].
La fase de la alfa se llama ferrita. La ferrita es un componente común en aceros y tiene
una estructura cúbica centrada cuerpo (BCC) [ que pila de discos menos denso que la
FCC ].
El FE3C se llama cementite y pasado (para nosotros), el " eutéctico como " la mezcla de
alpha+cementite se llama pearlite.
El problema se puede simplificar por las estadísticas para las dos puntas siguientes:
Estamos considerando los aceros, y por lo tanto necesitamos solamente mirar
el diagrama de fase de Fe-C hasta alrededor de 1.4%C
Podemos no hacer caso de cambios muy de alta temperatura de la fase pues
éstos no afectarán la aleación final - mirando el diagrama de fase, todas las
aleaciones hasta 1.4%C deben refrescarse con la fase gamma (del austenite).
Consideraremos tan las aleaciones abajo alrededor de 1000C
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
62
CAPITULO IV
CINÉTICA: NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE FASES
1. DIFUSIÓN
Los átomos se mueven en un cristal realizando saltos sucesivos desde una posición a
la siguiente. Si los átomos son suficientemente pequeños, pueden ocupar posiciones
intersticiales. En caso contrario, los átomos difunden ocupando posiciones
substitucionales y sólo pueden difundir si existen vacantes en el material.
Fig. 29 difusión
Si existe un gradiente de concentraciones en el sólido, se producirá un flujo neto de
soluto a través del sólido. Este flujo viene dado por la relación fenomenológica
llamada 1ª ley de Fick, que para una dimensión viene dada por:
Estado estacionario:
Dónde:
J es el flujo atómico por unidad de área y unidad de tiempo
N es la concentración de soluto
D es el coeficiente de difusión
X es una distancia
a. Primera Ley De Fick
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
63
La Ley de Difusión de Fick toma en cuenta ciertos criterios para determinar
cómo de fácil es que difunda una sustancia dada dependiendo de las siguientes
características: - Magnitud de gradiente. - Área de superficie - Liposolubilidad
de la sustancia (cuanto más liposoluble, más rápido difunde). - Peso molecular
(cuanto menos pese, más rápido difunde). - Distancia de difusión.
En el caso de existir diferencias de concentración de cualquier especie
(concentración de sustancia o temperatura), el paseo aleatorio de las
moléculas se llevará a cabo desde las regiones con mayor concentración hacia
las regiones de menor concentración. El flujo de sustancia irá en el sentido
opuesto del gradiente de concentración y, si éste es débil, podrá aproximarse
por el primer término de la serie de Taylor, resultando la ley de Fick:
J=−D∇c
Siendo el coeficiente de difusión de la especie de concentración c . En el caso
particular del calor, la ley de Fick se conoce como ley de Fourier y se escribe
como:
q=−k∇T
Siendo la conductividad térmica.
Tomando la ley de conservación integral para la especie c, y aplicándole a esta
última el teorema de Stokes se tiene:
∂∂T
∫v
❑
cdV=−¿∫∂v
❑
j . dS❑⇒ ∂c∂ t
+∇ . j=0¿
b. Segunda Ley De Fick
Combinando el resultado anterior con la ley de Fick resulta la ecuación de difusión o segunda ley de Fick:
∂c∂ t
−D ∇2 c=∂c∂ t
−D ( ∂2 c∂x2+ ∂
2 c∂ y2
+ ∂2 c∂ z2 )=0
2. INTERCARAS
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
64
Toda intercara entre dos fases (por ej: S-G, S-L, S-S) tiene una energía superficial γ
porque los átomos que se encuentran en esa intercara no están en posiciones de
equilibrio mínimo, ya que no tienen todos sus enlaces satisfechos.
Fig. 30 intercaras
La energía superficial [J/m2] equivale a una tensión superficial:
F= [N/m]γ
En el caso de un sólido, la energía superficial dependerá del plano cristalográfico (de
ahí, la forma de los mono cristales que muestran planos de baja energía superficial).
a. INTERCARAS EN FASE SOLIDA
Considerar una intercara entre dos fases sólidas a y ß, la intercara puede ser de
varios tipos:
i. Coherente: Existe un “registro” perfecto entre las dos estructuras
cristalinas.
ii. Incoherente: No existe “registro” entre ambas estructuras.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
65
3. FUERZA IMPULSORA DE TRANSFORMACIÓN (CAMBIO DE ENERGIA DE GIBBS)
Consideremos una transformación de fase L a S de la misma composición. La fuerza
impulsora será el cambio de energía de Gibbs ΔG L→S que se produce en la
transformación:
Si asumimos que ΔH L→S y ΔS L→S son independendientes de la T (esta
aproximación asume que las dos fases tienen la misma C p (capacidad calorífica a P
cte., y es una buena aproximación para fases condensadas (sólidos y líquidos):
Por lo tanto, la fuerza impulsora para la transformación es proporcional a la
desviación de la T con respecto a la temperatura de equilibrio Te.
4. NUCLEACIÓN DE UNA NUEVA FASE
a. Nucleación Homogénea: Toda transformación conlleva un proceso de
nucleación y un proceso de crecimiento de esos núcleos hasta que el material
se ha transformado totalmente.
La nucleación homogénea ocurre en una fase uniforme que no tiene
heterogeneidades donde la nucleación pueda ocurrir preferentemente.
Supongamos, por simplicidad, la solidificación de un líquido y la nucleación de
un núcleo esférico del sólido en el líquido.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
66
El cambio de energía de Gibbs en la transformación de la antigua a la nueva
fase se puede expresar como ΔGv (por unidad de volumen), es decir, la fuerza
impulsora de la transformación por unidad de volumen:
Sin embargo, la aparición de un núcleo conlleva la aparición de una nueva
intercara entre las dos fases tiene una energía por unidad de superficie , queγ
representa un incremento de energía del sistema.
Por lo tanto, el trabajo realizado para formar un núcleo vendrá dado por:
Por lo tanto, calculando el máximo de la curva obtenemos:
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
67
Así, a medida que T→Te, ΔGv → 0 , r* → 8 y W*→ 8 , con lo que la nucleación
de la nueva fase es imposible.
b. Nucleación Heterogénea:
La nucleación puede sufrir un efecto catalizador por la presencia de
heterogeneidades (partículas, fronteras de grano, etc…o las paredes de un
molde en el caso de un líquido) en la fase original de partida. Supongamos que
durante la solidificación de un líquido se forma un núcleo sólido en forma de
casquete esférico, de radio r, sobre la pared de un molde. El ángulo de contacto,
, se puede determinar planteando el balance de las tensiones superficialesθ
(equivalentes a la energía superficial):
Entonces, el trabajo necesario para la formación del núcleo vendrá dado por:
5. CRECIMIENTO
Una vez que se ha producido la nucleación, la nueva fase tiene que crecer hasta
que la fase antigua desaparezca
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
68
Este crecimiento se produce mediante el intercambio (difusión) de átomos a
través de la intercara entre las dos fases
Como en todo proceso activado térmicamente, existe una energía de activación.
Esta energía es asimétrica cuando existe una fuerza impulsora para la
transformación.
La velocidad de crecimiento muestra un máximo en función de la temperatura,
pero a diferencia de la nucleación homogénea, la velocidad de crecimiento
puede ser relativamente grande, incluso para pequeñas desviaciones del
equilibrio.
En cambio a temperaturas bajas, el crecimiento es muy lento porque la
movilidad, y por lo tanto, la difusión de los átomos es difícil.
6. TRANSFORMACIÓN
Una transformación de fase requiere de nucleación y crecimiento. La velocidad
de transformación, por tanto, dependerá de la velocidad de ambas.
Se suele describir como el tiempo necesario t(y) para transformar una fracción
y de la muestra a una temperatura determinada. Un diagrama de
transformación isotermo, del tipo de la figura, muestra t(y) en función de la
temperatura (el tiempo se suele representar en escala logarítmica).
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
69
Estos diagramas también reciben el nombre de curvas TTT (Tiempo
Temperatura-Transformación). La velocidad de transformación está
limitada por una nucleación lenta a altas temperaturas y un crecimiento lento a
baja temperatura.
Curva TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación):
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
70
CAPITULO V
TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS ALEACIONES METÁLICAS
1. IMPORTANCIA
Los tratamientos térmicos pueden utilizarse para homogeneizar el fundido de las aleaciones metálicas, para mejorar su ductilidad en caliente, para ablandar los metales antes o durante su procesamiento en frío o en caliente, o para modificar su microestructura con el fin de obtener las propiedades mecánicas deseadas.
También se utiliza el tratamiento térmico de aleaciones metálicas para modificar la estructura química superficial de los materiales. Este objetivo se logra mediante la difusión de carbono, nitrógeno y otros materiales sólidos o gaseosos en la superficie del componente. Estos procesos se utilizan para obtener superficies con una dureza determinada y para mejorar su resistencia al desgaste, la corrosión y la fatiga.
Los parámetros y procesos que afectan la composición y propiedades materiales de los componentes metálicos incluyen los siguientes:
Tipo de aleación - Calentamiento - Enfriamiento - Trabajo - Tiempo - Atmósfera - Recubrimiento superficial - Difusión superficial
Para garantizar que cualquier componente metálico sea apto y adecuado para el fin señalado, puede ser necesario exponerlo a una serie de tratamientos de acondicionamiento y acabado. Los tratamientos se realizan de forma que garanticen que se controla minuciosamente la combinación requerida de estos parámetros para obtener el componente acabado que se desea.
El tratamiento térmico de los metales supone elevar la temperatura de una aleación, a menudo siguiendo un perfil térmico predeterminado, hasta una temperatura definida. Después, el material se mantiene a esta temperatura durante un periodo de tiempo antes de enfriarse de modo controlado o mediante un proceso de templado a una temperatura fija.
Los tratamientos se llevan a cabo en hornos e incineradoras donde, además de los cambios de temperatura, se utilizan gases para controlar la atmósfera del proceso. Se emplean atmósferas controladas para reducir los efectos de la oxidación o atmósferas enriquecidas para incrementar los efectos químicos superficiales en los componentes sometidos a tratamiento.
Tratamientos generales
Homogeneización Este tratamiento se utiliza antes de los procesos en caliente y se aplica para igualar la temperatura en toda la aleación o para reducir el efecto de segregación provocado por la composición química desigual.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
71
Recocido El recocido abarca una variedad de procesos de tratamiento térmico utilizados para ablandar las aleaciones e incrementar su ductilidad como ayuda al proceso en frío.
Estabilización y normalización Tratamientos térmicos realizados para eliminar las tensiones internas de los componentes después de la soldadura, el fundido o el enfriamiento rápido.
2. TRATAMIENTO TÉRMICO DE PRECIPITACIÓN
Disolución y precipitación
Lo que se pretende es controlar la distribución de precipitados mediante:
– Un tratamiento térmico de disolución a T0 , para que todo el elemento B esté
en solución sólida en la fase .α
– Un temple para obtener una solución sólida supe saturada
– Un tratamiento térmico de precipitación (a T<200 ºC), para formar los
precipitados.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
72
3. RECOCIDO
El recocido es un tratamiento térmico cuya finalidad es el ablandamiento, la
recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en
metales. Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de
las propiedades físicas del mismo. El recocido consiste en calentar el metal hasta una
determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente,
habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su
temperatura disminuya de forma progresiva, para después dese formar. El proceso
finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de
varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes
deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir.
Objetivos
Los objetivos del recocido son tanto eliminar las tensiones internas producidas
por tratamientos anteriores (como el templado) como aumentar la plasticidad,
la ductilidad y la tenacidad del material. Con el recocido de los aceros también
se pretende ablandar las piezas para facilitar su mecanizado o para conseguir
ciertas especificaciones mecánicas. A su vez, mediante el recocido, se
disminuye el tamaño del grano y se puede producir una microestructura
deseada controlando la velocidad a la que se enfría el metal.
Etapas
El recocido se realiza en tres etapas: primero se calienta el material hasta la
temperatura de recocido, después se mantiene la temperatura durante un
tiempo determinado. Por último se deja enfriar el material lentamente. Se
deben preparar debidamente las piezas que se vayan a recocer. Se debe
eliminar la herrumbre y el óxido.
Tipos de recocido
Recocido de eliminación de tensiones: Por medio de la deformación
en frío se presentan tensiones en el material. Dichas tensiones pueden
provocar deformaciones en las piezas, pero pueden eliminarse mediante
un recocido calentando el metal entre 550 y 650ºC y manteniendo la
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
73
temperatura durante 30-120 minutos. Después se refrigera de forma
lenta.
Recocido de ablandamiento: Los materiales templados o ricos en
carbono (sobre 0,9%) son difíciles de trabajar mediante arranque de
viruta (torneado, fresado, etc.) o mediante deformación en frío. Para
ablandar el material puede hacerse un recocido. Se calienta la pieza
entre 650 y 750ºC tras lo cual se mantiene la temperatura durante 3-4
horas antes de disminuir lentamente su temperatura. Es habitual
mantener una subida y bajada alternativa de la temperatura en torno a
los 723ºC.
Fig. 31 Gráfica del recocido normal
Recocido normal: Mediante el recocido normal se afina el grano de la
estructura y se compensan las irregularidades de las piezas producidas por
deformaciones, ya sea en caliente o en frío, tales como
doblado, fundición, soldadura, etc. El procedimiento consiste en calentar a
temperaturas entre 750 y 980ºC, conforme al contenido de carbono del
material, tras lo que se mantiene la temperatura para después dejar enfriar
lentamente al aire.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
74
CONCLUSIONES
Los éxitos obtenidos en la producción de nuevos aceros empezaron a extenderse a los
materiales como los polímeros y las cerámicas, obligando a crear
nuevas investigaciones sobre las propiedades de la materia.
En las investigaciones destaca la búsqueda de propiedades específicas orientadas a
lograr la eficiencia global de los procesos, se incide así en aspectos como la resistencia
a las altas temperaturas, la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión, así como
una mayor eficiencia energética, a la par de reducciones en la densidad y en peso, o
bien, capacidades conductoras ampliadas, texturas, transparencia, etc. Estas
características se han logrado obtener por combinaciones y procesos.
Los diagramas de fases son de gran utilidad para estas investigaciones. Debido a que
al aplicarle a un material cierto tratamiento térmico (temple, recocido, revenido o
normalizado), el diagrama de fases ayuda a predecir, por ejemplo, a que temperatura
el material lograría la solidificación, a que temperatura fundiría, a que temperatura
lograría el equilibrio cierta aleación, averiguar la solubilidad, etc.
En muy diversas formas, la creación y difusión de nuevos materiales ha llevado a estos
a ocupar mercados que por muchos años fueron exclusivos, principalmente de
metales tradicionales. Uno de los ejemplos más claros se ha dado en la industria del
cobre, donde los principales sectores tradicionalmente basados en este metal han
sufrido gradualmente la inserción de los plásticos, el aluminio y la fibra óptica, por
mencionar sólo algunos materiales.
El mayor desplazamiento del cobre se ha producido en ciertas áreas del sector
eléctrico. Una de ellas, es la de las comunicaciones a distancia, con alta densidad de
mensajes/información. Allí se ha preferido la fibra óptica por su capacidad para
transmitir grandes volúmenes de información. A partir de la década de los noventa
ésta se ha constituido como parte importante del sistema de comunicaciones a
distancia entre países y al interior de algunos de ellos. Sin embargo, dado que este tipo
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
75
de uso representa menos del 10% del cobre consumido en telecomunicaciones, el
impacto puede ser graduado. Aunque podría ser distinto si la fibra óptica penetrase el
sistema domiciliario, que consume el resto del cobre. Aunque esto es poco probable,
pues el alto costo de la fibra óptica sólo justifica su uso en aquellos casos en que se
requiere manejar un gran volumen de información.
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
76
BIBLIOGRAFÍA
http://www.babelfish.altavista.com/cgi-bin/translate?#page9
MALISHEV, A.; Tecnología de los metales; Séptima Edición; Mir Moscú; 1985.
SMITH, W.; Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales; Tercera Edición;
Mac Graw Hill, 1998.
YU, M.; Metalografía y Tratamiento termoquímico de los Metales; Mir Moscú,
Traducción del Ruso, 1977.
ANEXO O1
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES Fe - C
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
77
Anexo 02 descomposición de masa
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
78
Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.
79