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Diagrama de fases Materiales
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CAMBIOS DE FASE EN LOS
MATERIALES: DIAGRAMAS DE
FASES.
Departamento de Química
Facultad de Ciencias
Universidad Nacional de Colombia
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
INTRODUCCIÓN:
¿Qué le ocurre a la estructura de un material cuando éste
se calienta o cuando se enfría?
¿Qué ocurre con la composición química de ese material?
¿Cómo puede entenderse el cambio de microestructura de
un material cuando se cambia su composición?
¿Qué es una fase?
INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES
Nelson J. Castellanos
Concepto de fase:
Es la parte de un sistema material que es físicamente
homogénea, limita por una superficie y es mecánicamente
separable.
Estado de la materia que es “uniforme en todas sus partes,
tanto en composición química como en su estado físico y
microestructura” .
Micrografía del molibdeno
comercialmente puro
Micrografía de un acero
comercial: 0,8% de C
?
DIAGRAMAS DE FASES:
Un diagrama de fases ilustra la estabilidad de diversas fases para un conjunto de
elementos o sustancias constituyentes de un material. A partir de un diagrama de
fases podemos predecir cómo se solidificará un material bajo condiciones de
equilibrio. También podemos predecir las fases termodinámicamente estables.
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Nelson J. Castellanos
Puede considerarse como un mapa que
sirve de guía para encontrar respuesta a
la pregunta general:
¿Qué microestructura debería existir a
una temperatura dada para un material
de composición también dada?
El análisis de la evolución de la microestructura mediante los diagramas
de fases se inicia con la regla de las fases
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Nelson J. Castellanos
Identifica el número de
fases microscópicas
asociadas a una
condición de estado dada
(conjunto de valores de
temperatura, presión y
otras variables que
describen la naturaleza
del material)
LA REGLA DE LAS FASES:
Es una relación general entre las fases de un sistema y las
variables de estado (presión, temperatura y composición)
2 CFP
P: número de fases que coexisten en el sistema.
C: número de componentes en el sistema. Un componente es la
sustancia (elemento o compuesto) que conforma cada fase.
F: grados de libertad, es decir es el número de variables que pueden
cambiar independientemente, sin cambiar la cantidad de fases en el
equilibrio.
2: indica que pueden variar tanto la temperatura como la presión.
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Sólido
Líquido
Gas
Pre
sió
n (
atm
)
Temperatura (°C)
1
-78,2
5,1
Gas
1
Pre
sió
n (
atm
)
Temperatura (°C)
Sólido
Líquido
0 100
0,006
Diagrama de fases para el H2ODiagrama de fases para el CO2
A
B
C
Por ejemplo: apliquemos la regla de las fases en un
diagrama de fases unitario
Línea de vaporización
Línea de congelación
0,01 ºC
Comparemos dos diagramas de fases unitarios
Sólido
Líquido
Gas
Pre
sió
n (
atm
)Temperatura (°C)
1
-78,2
5,1
Gas
1
Pre
sió
n (
atm
)
Temperatura (°C)
Sólido
Líquido
0 100
0,006
Diagrama de fases para el H2ODiagrama de fases para el CO2
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Analicemos el diagrama de fases P vs T para el hierro (Fe)
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Para sistemas binarios (dos componentes) condensados
(sólido-líquido) los procesos típicos de transformación de
fases ocurren a presión constante (alrededor de 1 atm)
Los diagramas de fases se expresan en términos de
temperatura-composición, manteniendo invariante la
presión.
En estas condiciones, la regla de las fases se expresa
como:
1 CFP
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DIAGRAMA DE FASES BINARIO DE SOLUBILIDAD
TOTAL EN ESTADO SÓLIDO:
Temperatura de líquidus: es
aquella temperatura por
encima de la cual un material
es totalmente líquido.
Temperatura de sólidus: es
aquella temperatura por
debajo de la cual un material
es totalmente sólido.
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Nelson J. Castellanos
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BINARIO DE SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SOLIDO
Microestructuras generales características en un diagrama
de fases de solubilidad total en estado sólido:
Un ejemplo de este tipo de sistemas son las aleaciones binarias
isomórficas.
Los metales se mezclan formando aleaciones. La mezcla puede ser con
otro metal o con un elemento no metálico, formando soluciones sólidas.
Una aleación binaria posee dos componentes y una solución sólida
constituye una sola fase.
¿Cómo se construyen estos diagramas de fases?
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DIAGRAMA DE FASES DE NiO-MgO
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%molar = X molar
REGLA DE LA PALANCA:
A y B son componentes completamente solubles el uno en el otro.
Wo: es la fracción en peso de B en A para una aleación de
composición X.
Wl: es la fracción en peso de B líquido (en el punto L).
Ws: es la fracción en peso de B sólido (en el punto S)
En el punto “O”, la mezcla de composición X debe tener:
1 sl XX
sl XX 1
ls XX 1
Donde Xl es la fracción (en peso) de la
fase líquida y Xs es la fracción (en peso)
de la fase sólida.
De otro lado, la masa del componente B en la mezcla, en el punto “O”
estará dada por la suma de la masa de B líquido más B sólido:
SlX BBB mmm
))()(1())()(1())(1)(1(100
%
100
%
100
% slo W
s
W
l
WXgXgg
ssllo WXWXW
Si tomamos un gramo (1 g) como base:
Insertando sl XX 1 en la ecuación anterior:
sslso WXWXW )1(
sslslo WXWXWW
lssslo WXWXWW
)( lsslo WWXWW
ls
los
WW
WWX
LS
LOX s
LS
OSX l
DIAGRAMA DE FASES BINARIO EUTÉCTICO DE
INSOLUBILIDAD TOTAL
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Microestructuras generales en un diagrama de
fases binario eutéctico de insolubilidad total
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Ejemplos de diagrama de fases binario eutéctico
de insolubilidad total en estado solido
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Ejemplos: diagrama de fases binario eutéctico de
solubilidad parcial
Diagrama de fases Al-Si.
DIAGRAMA DE FASES BINARIO EUTÉCTICO DE
SOLUBILIDAD PARCIAL
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En el caso de muchos
sistemas binarios, los
dos componentes son
parcialmente solubles
entre sí.
Microestructuras generales en un diagrama de
fases binario eutéctico de solubilidad parcial
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Ejemplos: diagrama de fases binario eutéctico de
solubilidad parcial
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Ejemplos: diagrama de fases binario eutéctico de
solubilidad parcial
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DIAGRAMA DE FASES BINARIO EUTECTOIDE
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DIAGRAMA DE FASES BINARIO EUTECTOIDE
Microestructuras generales en un diagrama de
fases binario eutectoide
Diagrama de fases Fe-Fe3C.
Nótese que el eje de composición
se da en porcentaje en peso de
C, incluso a pesar de que el
componente es el Fe3C, y no el
carbono.
DIAGRAMA DE FASES BINARIO PERITÉCTICO
DIAGRAMA DE FASES BINARIO PERITÉCTICO
Microestructuras generales en un diagrama de fases binario
peritéctico
Ejercicio:
Haga un análisis de fases de la solidificación en el equilibrio
de las aleaciones de estaño-plomo en los siguientes puntos a
partir del diagrama de fases de Pb-Sn.
a) En la composición eutéctica, justo debajo de 183 ºC (T
eutéctica).
b) En el punto c, a 40% Sn y 230 ºC.
c) En el punto d, a 40% Sn y 183 ºC + T
d) En el punto e, a 40% Sn y 183 ºC - T
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