Diagrama de fase

La lnea de puntos muestra el comportamiento anmalo delagua. La lnea verde marca el punto de congelacin y la lnea azul, el punto de ebullicin. Se muestra cmo varan con lapresin.

En termodinmica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la representacin grfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en funcin de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregacin diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado. En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en termodinmica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

[editar]Diagrama

de fase de una sustancia pura

Los diagramas de fase ms sencillos son los de presin - temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presin y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presin y temperatura dadas, el cuerpo presenta una nica fase excepto en las siguientes zonas: Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados slido, lquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto inters, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termmetros.

Los pares (presin, temperatura) que corresponden a una transicin de fase entre:

Dos fases slidas: Cambio alotrpico; Entre una fase slida y una fase lquida: fusin - solidificacin; Entre una fase slida y una fase vapor (gas): sublimacin - deposicin (o sublimacin inversa); Entre una fase lquida y una fase vapor: vaporizacin - condensacin (o licuefaccin).

Es importante sealar que la curva que separa las fases vapor-lquido se detiene en un punto llamado punto crtico. Ms all de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrtico que tiene propiedades tanto de los lquidos como de los gases. Modificando la presn y temperatura en valores alrededor del punto crtico se producen reacciones que pueden tener inters industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener caf descafeinado. Es preciso anotar que, en el diagrama PV del agua, la lnea que separa los estados lquido y slido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la preson el hielo se funde, y tambin que la fase slida tiene menor densidad que la fase lquida.

[editar]Diagrama

de fase binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representacin de los cambios de fase puede ser ms compleja. Un caso particular, el ms sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentracin, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: Slido puro o disolucin slida Mezcla de disoluciones slidas (eutctica, eutectoide, peritctica, peritectoide) Mezcla slido - lquido nicamente lquido, ya sea mezcla de lquidos inmiscibles (emulsin), ya sea un lquido completamente homogneo.

Mezcla lquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

Hay punto y lneas en estos diagramas importantes para su caracterizacin: Lnea de lquidus, por encima de la cual solo existen fases lquidas. Lnea de slidus, por debajo de la cual solo existen fases slidas. Lnea eutctica y eutectoide. Son lneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutcticas y eutectoides, respectivamente.

Lnea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolucin slida ( ) de A y B deja de ser soluble para transformarse en ( )+ sustancia pura (A B).

Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:

Eutctica Eutectoide Peritctica Perictectoide

Monotctica Monotectoide Sintctica Catatctica

Diagrama de FasesDiagramas de fase:Son representaciones grficas de las fases que estn presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayora de los diagramas de fase han sido construidos segn condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y cientficos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases ms comunes involucran temperatura versus composicin.

Diagrama isomorfo (Solubilidad Slida Completa):Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinacin de temperatura y composicin de la aleacin. Cuando en la aleacin slo estn presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metlicos y cermicos. En los sistemas isomorfos, slo se forma una fase slida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad slida ilimitada.

Informacin que podemos obtener de los diagramas de fase:

1. Conocer que fases estn presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2. Averiguar la solubilidad, en el estado slido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. 3. Determinar la temperatura a la cual una aleacin enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificacin.

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

Temperaturas de lquidus y de slidus:La curva superior en el diagrama es la temperatura de lquidus. Se debe calentar una aleacin por encima de lquidus para producir una aleacin totalmente lquida que pueda ser colocada para obtener un producto til. La aleacin lquida empezar a solidificarse cuando la temperatura se enfre hasta la temperatura de lquidus. La temperatura de slidus es la curva inferior. Una aleacin de este tipo, no estar totalmente slida hasta que el metal se enfre por debajo de la temperatura de slidus. Si se utiliza una aleacin cobre-nquel a altas temperaturas, deber quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecer por debajo de la temperatura de slidus, de manera que no ocurra fusin. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el lquidus y el slidus. La diferencia de temperatura entre lquidus y slidus se denomina rango de solidificacin de la aleacin. Dentro de este rango, coexistirn dos fases: una lquida y una slida. El slido es una solucin de tomos de los compuestos involucrados; a las fases slidas generalmente se les designa mediante una letra minscula griega, como alpha.

Fases presentes:A menudo, en una aleacin a una temperatura en particular interesa saber qu fases estn presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundicin, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal est lquido; si se planea efectuar un tratamiento trmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme lquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cules son las coordenadas, temperatura y composicin de la aleacin, se podrn determinar las fases presentes.

Composicin de cada fase:Cada fase tiene una composicin, expresada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composicin se expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando est presente en la aleacin una sola fase, su composicin es igual a la de la aleacin. Si la composicin original de la aleacin se modifica, entonces tambin deber modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como lquido y slido, sus composiciones diferirn entre s como de la composicin general original, Si sta cambia ligeramente, la composicin de las dos fases no se afectar, siempre que la temperatura se conserve constante.

Diagramas de FasesDiagramas de fases son representaciones grficas temperatura vs. composicin a presin constante, que permiten conocer: - las fases presentes para cada temperatura y composicin - solubilidades a diferentes temperaturas de un componente en otro - temperatura de solidificacin, etc. Los diagramas de fases se construyen a partir de datos experimentales de Anlisis Trmico diferencial (ATD), observacin metalogrfica y difraccin de rayos X. Regla de las fases (Gibbs) FASES + GRADOS DE LIBERTAD = COMPONENTES + 2 ( si la presin se mantiene constante F + L = C + 1 ) Clasificacin simplificada de los diagramas de fases en metales Solubilidad total en estado lquido - solubilidad total en estado slido presentan nicamente lneas de lquidus y slidus, forman soluciones slidas substitucionales

Reglas de Hume - Rothery (para que dos metales formen soluciones slidas substitucionales) deben cristalizar en el mismo sistema tener idntica valencia igual carcter electroqumico dimetros atmicos que no difieran en ms del 15%

- insolubilidad total en estado slido - aparicin de un punto invariante (eutctico E) - transformacin eutctica: Lquido--> Slido A + Slido B - la curva de enfriamiento de una composicin eutctica sigue el mismo patrn que la de un metal puro - el eutctico presenta una morfologia caracterstica

- solubilidad parcial en estado slido - lneas de solvus - soluciones slidas terminales - en aleaciones que presentan soluciones slidas terminales en que disminuye la solubilidad en estado slido con la temperatura puede producirse un endurecimiento por precipitacin y posterior envejecimiento (ej. Al-Cu)

Diagramas con fases intermedias Las fases intermedias se representan como lneas verticales en los diagramas de fases porque suelen tener un pequeo intervalo de composicin lo que conduce a compuestos con frmula qumica definida (ej. Mg2Sn). Si presentan un intervalo de composicin suele tratarse decompuestos electrnicos (que se represntan por una letra griega). Las fases intermedias tienen puntos de fusin superiores a los de los dos metales. Reaccin peritctica: Lquido + Slido 1 --> Slido 2 el slido 2 suele ser una fase intermedia.

Reaccin monotctica se presenta cuando los metales son slo parcialmente solubles en estado lquido: Lquido 1 --> Lquido 2 + Slido

Otras reacciones invariantes en estado slido Reaccin eutectoide: Slido 1 --> Slido 2 + Slido 3

Reaccin peritectoide: Slido 1 + Slido 2 --> Slido 3

La regla de la palanca permite conocer la composicin qumica de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.

EL DIAGRAMA Fe-CLa adicin de elementos de aleacin al hierro influye en las temperaturas a que se producen las transformaciones alotrpicas. Entre estos elementos, el ms importante es el carbono. El diagrama hierro-carbono, aun cuando tericamente representa unas condiciones metastables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio. En el diagrama aparecen tres lneas horizontales, las cuales indican reacciones isotrmicas. La parte del diagrama situada en el ngulo superior izquierdo de la figura se denomina regin delta. En ella se reconocer la horizontal correspondiente a la temperatura de 1493C como la tpica lnea de una reaccin peritctica. La ecuacin de esta reaccin puede escribirse en la forma.

La mxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de red cbica centrado en las caras) disuelve al carbono en una proporcin mucho mayor. En cuanto al valor industrial de esta regin es muy pequeo ya que no se efecta ningn tratamiento trmico en este intervalo de temperaturas. La siguiente lnea horizontal corresponde a una temperatura de 1129C, esta temperatura es la de solidificacin del eutctico. y la reaccin que en ella se desarrolla es:

La mezcla eutctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase gamma no es estable y experimenta otra transformacin durante el enfriamiento. La ltima lnea horizontal, se presenta a los 722C, esta lnea corresponde a la temperatura de formacin del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma debe desaparecer. La ecuacin de la reaccin eutectoide que se desarrolla puede expresarse por:

En funcin del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en dos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que se llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con ms de un 2 % de carbono, las cuales se llaman fundiciones. A su vez, la regin de los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenido en carbono es inferior al correspondiente a la composicin eutectoide (0,77 %C) los cuales se

llaman aceroshipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que se conocen por aceros hipereutectoides.