Clase 6 diagrama de fase 1 (1)

DIAGRAMA DE FASE

Lima, abril del 2014

Dr. Ingº FORTUNATO ALVA DAVILA

DIAGRAMA DE FASE

Una fase es una región que difiere en su

microestructura y/o composición, con respecto de

otra región.

Los diagramas de fase, son representaciones gráficas

de las fases que existen en un sistema de materiales a

varias temperaturas, presiones y composiciones.

Los diagramas, en su mayoría, se han construido en

condiciones de equilibrio2, y son utilizados por los

ingenieros y científicos para entender y predecir el

comportamiento de los materiales.

Condiciones de equilibrio2

Los diagramas de equilibrio de fase:

Se determina mediante la aplicación de

condiciones de enfriamiento lento.

En la mayoría de los casos se consigue una

aproximación al equilibrio, pero nunca se

alcanza completamente.

DIAGRAMA DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS

Una sustancia pura, como el agua puede existir en

las fases sólida, líquida y vapor, según sean las

condiciones de temperatura y presión.

Un ejemplo muy conocido de dos fases de una

sustancia pura en equilibrio, es un vaso con agua

que contiene unos cubos de hielo.

En este caso, el agua, sólida y líquida, da lugar a dos

fases distintas separadas por una fase límite, la

superficie de los cubos del hielo.

Durante la ebullición del agua, el agua líquido y el agua vaporizada constituyen dos fases en equilibrio.

En la figura 2.1 se muestra una representación gráfica de las fases del agua que existen bajo diferentes condiciones de presión y temperatura


Figura.2.1 Diagrama de fases en equilibrio presión- temperatura PT aproximado, para el agua pura

En el diagrama de fases presión-temperaturas (PT) del

agua, existe un punto triple a baja presión (4,579 torr) y

baja temperatura (0,01°C) donde coexisten las fases

sólida, líquida y vapor.

La fase líquida y vapor

se dan a lo largo de la

línea de vaporización

y la fase líquida y sólida

a lo largo de la línea de

congelación, como se

muestra en la fig.2.1


Fig.2.2 Diagrama de fases en equilibrio presión-temperaturaPT aproximado, para el hierro puro

Diagrama de fase de equilibrio PT del hierro puroSe muestra en la fig.2.2. Una diferencia fundamental de ese diagrama de fase es que tiene tres fases sólidas distintas y separadas: alfa (α) Fe, gamma () Fe, y delta () Fe. El hierro alfa y el hierro delta tienen estructuras cristalinas BCC. Mientras el hierro gamma tiene una estructura FCC. Los límites de fase en el estado sólido tienen lasmismas propiedades que los límites de las fases líquida y sólida.

Bajo condiciones de equilibrio, el hierro alfa y gamma pueden

existir a una temperatura de 910°C y 1 atmósfera de

presión. Por encima de 910°C sólo existe la fase sencilla

gamma, y por debajo de 910°C, sólo existe la fase sencilla alfa

(fig.2.2).

Hay también tres puntos

triples en el diagrama PT

del hierro donde coexisten

las tres fases diferentes:

1) líquido, vapor y Fe

2) vapor, Fe y Fe, y

3) vapor, Fe y αFe.

Diagrama de fase de equilibrio PT del hierro puro

REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

d) A partir de consideraciones termodinámicas, J.W. Gibbs, obtuvo una ecuación para calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación, llamada Regla de las fases de Gibbs, es:

P + F = C + 2Donde: P = Nº de fases en el sistema.

C = Nº de componentes en el sistema.F = Grados de libertad

C, es un elemento, un compuesto o una solución en el sistema. F, son los grados de libertad, es decir, el número de variables (presión, temperatura y composición).

Ejemplo 1, aplicando la regla de Gibbs al diagrama de fases presión – temperatura PT del agua pura (figura 2.1). En el punto triple coexisten tres fases en equilibrio y como hay un componente en el sistema (agua), se puede calcular el número de Grados de libertad:

P + F = C + 23 + F = 1 + 2F = 0 (cero gra. libertad)

Esto significa que, como ninguna de las variables (presión o temperatura) se puede cambiar, manteniendo el equilibrio al punto triple se le llama punto invariante. Fig.2.11


rU

rU

Ejemplo 2, considerando ahora un punto en la curva de congelación sólido-líquido de la figura 2.1. En cualquier punto de esa línea hay dos fases que coexisten. Así, aplicando la regla de las fases.

P + F = C + 22 + F = 1 + 2F = 1 (un grado de libertad)

Este resultado indica que hay un grado de libertad y, por tanto, una variable (T o P) puede cambiarse de forma independiente, manteniendo un sistema con dos fases que coexisten. En consecuencia, si se especifica una presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases sólida y líquida coexisten.


-

Ejemplo 3, otro caso, considérese un punto, dentro de una

fase única, en el diagrama de fases PT del agua. En ese caso

sólo habrá una fase presente (P = 1), y sustituyendo en la

ecuación de la regla de las fases:

P + F = C + 2

1+F = 1 + 2

F = 2 (dos grados de libertad)


Los diagramas de fase binarios utilizados en la ciencia de los materiales son, en su mayoría, diagramas temperatura-composición, en los que la presión se mantiene constante, por lo general a 1 atm.

CURVAS DE ENFRIAMIENTOUna curva de enfriamiento se obtiene al registrar la temperatura de un material y compararla con el tiempo a medida que se enfría desde una temperatura en la cual se funde, mediante solidificación y, finalmente, a temperatura ambiente. Las curvas de enfriamiento pueden emplearse para determinar las temperaturas de transición de las fases tanto para metalespuros como para aleaciones.

Figura 2.3 Curva de enfriamiento para un metal puro

En la fig.2.3, se muestra la curva de enfriamiento para un

metal puro. Si se permite que el metal se enfríe en

condiciones de equilibrio (enfriamiento lento), su

temperatura cae continuamente a lo largo de la línea AB de la

curva.

En la región BC, el metal está en forma de mezcla de fases

sólidas y líquidas. A medida que se acerca al punto C, la

fracción de peso del sólido de la mezcla aumenta hasta que

termina la solidificación.

La temperatura permanece constante porque hay un equilibrio

entre la pérdida de calor de metal por el molde y el calor

latente suministrado por el metal que se solidifica.

CURVAS DE ENFRIAMIENTO

CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE HIERRO PURO

La curva de enfriamiento también puede proporcionar información relativa a la transformación de las fases de estado sólido en los metales.

Figura 2.4 Curva de enfriamiento para hierro puro a una presión de 1 atm

La curva de enfriamiento del hierro puro

La curva de enfriamiento del hierro puro en condiciones de

presión atmosférica (P = 1 atm) muestra una temperatura de

congelación de 1538°C, donde se forma un sólido de

estructura BCC a alta temperatura denominado hierro ,fig.2.4

Con enfriamiento adicional, a una temperatura de

1394°C, la curva de enfriamiento muestra una segunda

meseta. A esta temperatura ocurre una transformación

de fase sólida-sólida de BCC ferrita a un sólido

FCC llamado hierro (transformación polimórfica).

Con más enfriamiento, tiene lugar una segunda transformación

de fase sólida-sólida a una temperatura de 912°C. En esta

transformación el hierro FCC vuelve a tomar una estructura

de hierro BCC llamado hierro . Esta transformación de

fase sólida-sólida tiene importantes implicaciones

tecnológicas en la industria de elaboración del acero.


POLIFORMISMO o ALOTROPIA.-

Se llama así, cuando los elementos y compuestos existen en

más de una forma cristalina en diferentes condiciones de

temperatura y presión. Ejemplo: hierro, titanio, cobalto,

litio, sodio, calcio, etc.


SISTEMAS DE ALEACIONES BINARIAS ISOMÓRFICAS

Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y

constituye un sistema bicomponente, dado que cada elemento

metálico de una aleación se considera como un componente

separado.

El cobre puro es un sistema monocomponente, mientras que

una aleación de cobre y níquel es un sistema bicomponente.

Algunas veces, los aceros al carbono que contienen

principalmente hierro y carburo de hierro se consideran

sistemas bicomponentes.

Sistemas isomórficos.- Se llaman así, cuando los dos

elementos son completamente solubles entre sí tanto en

sus estados líquido como sólido.

En estos sistemas, sólo existe un tipo de estructura

cristalina para todas las composiciones de los componentes.

Para que los dos elementos tengan solubilidad sólida completa

entre sí, deben satisfacer una o más de las condiciones

formuladas por Hume-Rothery y que son:

La estructura cristalina de cada elemento de la

solución sólida debe ser la misma.

Los elementos deben tener la misma valencia

SISTEMAS DE ALEACIONES BINARIAS ISOMÓRFICAS

Ejemplo de un sistema de aleación binaria isomórfica es el sistema de cobre-níquel

En la figura 2.5 se muestra un diagrama de fases de este

sistema con la temperatura como ordenada y la

composición química en porcentaje de peso como

abscisa. Este diagrama se ha determinado para condiciones

de enfriamiento lento (equilibrio) a presión

atmosférica.

El área por encima de la línea superior del diagrama,

llamado:liquidus, corresponde a la región de estabilidad de

la fase líquida y el área por debajo de la línea inferior,

llamado:solidus, representa la región de estabilidad de la

fase sólida.

Sistema de cobre-níquel

La región entre el liquidus y el solidus representa una región bifásica donde coexisten la fase líquida y sólida.

Figura 2.5 Diagrama de fases del cobre-níquel.


Para el diagrama de fases binario isomórfico de Cu y Ni,

de acuerdo con la regla de Gibbs (F = C – P + 1), a la

temperatura de fusión de los componentes puros, el

número de componentes C es 1 (ya sea Cu o Ni) y el

número de fases disponible P es 2 (líquida o sólida),

dando un grado de libertad de 0 (F = 1 – 2 + 1 = 0).

Estos puntos se denominan puntos invariantes (F = 0).

Esto significa que cualquier cambio de temperatura

modificará la microestructura, ya sea a sólida o

líquida.

En las regiones monofásicas (líquida o sólida), el

número de componentes, C, es de 2, y el número de

fases disponibles, P, es 1, lo que da por resultado un

grado de libertad de 2 (F = 2 - 1 + 1 = 2). Esto significa

que se puede mantener la microestructura del

sistema en esta región, mediante la variación ya sea

de la temperatura o de la composición de manera

independiente.



En la región bifásica, el número de componentes, C, es de 2,

y el número de fases disponibles, P, es de 2, lo que da por

resultado un grado de libertad de 1 (F = 2 – 2 + 1 = 1). Esto

significa que sólo una variable (ya sea temperatura o

composición) puede modificarse independientemente del

tiempo que se mantiene la estructura bifásica del sistema. Si

se modifica la temperatura, la composición de las fases

también cambiará.


En la región monofásica de la solución sólida α, tanto la

temperatura como la composición de la aleación deben

especificarse a fin de localizar un punto en el diagrama de

fases. Por ejemplo, la temperatura de 1050°C y 20% de Ni,

especifican el punto a en el diagrama de fases Cu-Ni de la

figura 2.5. La microestructura de la solución sólida α a esta

temperatura y composición parece como la misma que la de un

metal puro. Sin embargo, dado que la aleación es una solución

sólida de 20% de Ni en cobre, la aleación tendrá mayor dureza

y resistividad eléctrica que el cobre puro.

En la región entre las líneas liquidus y solidus, existen

tanto fases líquidas como sólidas. La cantidad de

cada fase presente depende de la temperatura y de la

composición química de la aleación. Considerando una

aleación de 53% en peso de Ni- 47% en peso de Cu

a 1300ºC en la fig.2.5. Las composiciones de las fases

líquidas y sólidas a 1 300ºC pueden determinarse

trazando un línea de enlace horizontal a 1 300ºC desde

la línea de liquidus hasta la línea de solidus, y luego

trazando líneas verticales hacia el eje horizontal de la

composición.


La composición de la fase líquida (wl) a 1300°C contiene 45% en peso de Ni y la de la fase sólida (ws) es 58% en peso de Ni, como lo indica la intersección de las líneas verticales punteadas con el eje de la composición.


Figura 2.5 Diagrama de fases del cobre-níquel

Diagramas de fases binarios de equilibrio

Para los componentes solubles entre sí en el estado sólido, pueden construirse a partir de una serie de curvas de enfriamiento de líquido-sólido, como el sistema Cu-Ni de la fig.2.6. Las curvas de enfriamiento para los metales puros muestran confinamientos térmicos horizontales en sus puntos de congelación, ver fig.2.6(a) en AB y CD

Figura 2.6. Construcción del diagrama de fases en equilibrio del Cu-Ni a partir de las curvas de enfriamiento líquido-sólido. (a) Curvas de enfriamiento y (b) diagrama de fases en equilibrio

Diagramas de fases binarios de equilibrio

Las soluciones sólidas binarias muestran cambios de

pendiente en sus curvas de enfriamiento en las líneas liquidus

y solidus, ver la fig.2.6(a), a composiciones de 80% Cu -20%

Ni, 50% Cu-50% Ni, y 20% Cu-80% Ni. Los cambios de

pendiente en L1, L2 y L3 de la fig.2.6(a) corresponden a los

puntos liquidus L1, L2 y L3 de la fig.2.6(b). De manera similar,

los cambios de pendiente de S1, S2 y S3 de la fig.2.6(a)

corresponden a los puntos de la línea solidus de la S1, S2 y S3

de la fig.2.6(b).

DefinicionesCalor latente: Se define como la cantidad de calor que necesita una sustancia para pasar del estado sólido a líquido o de líquido a gas sin cambio de temperatura.

En el caso del agua, el calor latente de fusión del hielo se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de hielo para pasar del estado sólido al líquido manteniendo la temperatura constante en el punto de fusión (273 k).

Calor latente de fusión del hielo a 0 0C, 80 cal/g

Calor latente de evaporación del agua a 100 0C, 540 cal/g

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