Análisis Crítico sobre Diagrama de Fases

Realizado Por:

Jesús Eduardo Marín Gómez

Un diagrama de fases es una representación gráfica donde las fases están

presentes en un sistema material en función de la temperatura, la presión y la

composición. Son representaciones gráficas de las condiciones termodinámicas

de equilibrio.

Los diagramas de fase tienen su origen relacionada a la ciencia de los

materiales la cual surgió después de la Segunda Guerra Mundial, como respuesta

a la necesidad de producir materiales con propiedades especializadas. Los

primeros intentos de modificar científicamente las propiedades de la materia se

remontan a principios del siglo pasado, cuando los conocimientos de cristalografía,

estado sólido y física atómica convirtieron el arte de la metalurgia en ciencia. De

allí parte la creación de nuevas aleaciones, como el acero, que es el resultado de

la aleación de hierro y carbono en diferentes proporciones.

En un diagrama de fases se pueden observar puntos importantes como el

punto triple el cual es el punto donde coexisten los tres estados de la sustancia;

punto crítico que representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el

gas simplemente aumentando la presión; punto triple que es donde coexisten el

estado líquido y gaseoso de la sustancia y el punto de fusión que es donde

coexisten el estado sólido y líquido de la sustancia.

Para construir un diagrama de fases hay que seguir la regla de Gibbs la

cual establece un criterio para definir la cantidad de fases en equilibrio de un

sistema. Su fórmula es: P+F=C+N; donde P es el número de fases en equilibrio, F

son los grados de libertad, C es el número de componentes y N es el número de

variables. Por tanto, en un sistema binario cuando 3 fases están en equilibrio, el

número de grados de libertad es 0 (F=0). De esta forma el equilibrio es invariante,

o sea, todas las variables son fijas, por tanto el equilibrio entre 3 fases ocurre a

una determinada temperatura y las composiciones de las 3 fases son fijas.

Además de la Regla de Gibbs también está la regla de la palanca la cual es

un método empleado para conocer el porcentaje en peso de las fases "sólida y

líquida" también "sólida y sólida", presentes en una aleación de una cierta

concentración cuando se encuentra a una determinada temperatura.

El Diagrama de Fase es de gran importancia ya que permite conocer los

diferentes tipos de estados de un material, los cuales son sistemas que van en

función de todas las fases de cambios que representan determinadas condiciones

de presión, temperatura y composición.

A partir de un diagrama de fase se puede obtener información como:

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 (compuesto) en otro; Determinar la

temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio

comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación y

finalmente Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Problema 1: Para la aleación plomo-estaño, del 30% en peso de plomo calcular a 100°C: a) La cantidad relativa de cada fase presente. b) La cantidad de cada tipo de grano presente en la microestructura.

Solución:a) Las fases presentes serán a y b, y su proporción, utilizando la regla de

la palanca, será:

% α=98−7098−6

=30,43%%β=70−698−6

=69,57%

b) La cantidad de componentes vendrá dada, granos b y eutécticos, por:

%β=70−61,998−61,9

=22,44%%eutéctico= 98−7098−61,9

=77,56%

Problema 2: Construir el diagrama de fases del sistema Plomo-Antimonio y completar las fases presentes en el mismo.

-Temperatura de fusión del plomo = 328°C

-Temperatura de fusión del antimonio = 631°C

-Composición eutéctica, 11 % de antimonio.

-Solubilidad del antimonio en plomo: máxima de 4% a 252°C, nula a 25°C ·

-Solubilidad del plomo en antimonio: máxima de 5% a 252°C, 2% a 25°C.

Solución

La construcción del diagrama de fases puede observarse en la figura donde cabe señalar la presencia del eutéctico con el porcentaje del 11% cuya temperatura de transformación es de 252°C. En el mismo diagrama se han representado las diferentes zonas con sus fases correspondientes, principalmente, las zonas de líquido, líquido + fase α, líquido más fase β, zona monofásica α, zona monofásica β, y zona bifásica α + β, que se divide en dos zonas, una hipoeutéctica (E + α) y otra hipereutéctica (E +β).

Problema 3: La figura muestra el diagrama de fases de las aleaciones binarias de CobreNíquel. Las resistencias del Cobre puro, Níquel puro y Metal Monel (70%Ni-30%Cu), que representa la aleación con mayores características mecánicas de este sistema, son las siguientes: RNi = 34 MPa RCu = 17 MPa RMonel = 47 MPa Estima la carga de rotura que tendrá una pieza de aleación 60%Ni- 40%Cu obtenida en un proceso de colada sabiendo que la temperatura de solidus de la aleación medida en el proceso es de 1200°C.

Solución

Para una aleación 60%Ni- 40%Cu, se tiene una temperatura de sólidus de 1200°C significa que la aleación ha sufrido segregación dendrítica, lo que implica que el último líquido que solidificará tendrá una composición, según el diagrama de equilibrio, del 20% de Ni, y por lo tanto será la resistencia mecánica correspondiente a este porcentaje en níquel la que caracterizará la resistencia mecánica de toda la aleación. Esta resistencia se obtendrá de la gráfica linealizada del comportamiento de las aleaciones Cu-Ni, o bien interpolando entre la resistencia del cobre puro y la del monel, de esta forma obtenemos que la resistencia de la aleación será de 25.6 MPa