Diagramas de Fases

Algunos conceptos básicos

• Fase– Una región homogénea con propiedades y

estructuras físicas similares– En principio, pueden ser aisladas– Pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas

• Diagrama de fase– Representción de fases presentes bajo

un conjunto de condiciones (P, T, Composiciónn etc.)

Conceptos…...

• Transformación de fases– Cambio de una fase a otra– E.g. L S, S S etc.– Se produce por un cambio de energía

negativa, va de un estado de alta a bajaenergía.

• Límite de fase– Límite entre fases en un diagrama de fases.

Un diagrama de fases simples

Punto triple(punto invariante)

Sólido

Líquido

Vapor

Presión

Temperatura

Diagrama de fases

Sistema: H2O

Regla de las fases de Gibbs

P + F = C + 2 P=número de fasesC=número de componentesF=número de grados de libertad

(número de varibles independientes)

Regla de las Fases modificadas (para sistemas incompresibles)

P + F = C + 1Presión es una variable constante

F = C - P + 2

F = C - P + 1

Aplicación de la regla de las fases

En el punto triple, P=3, C=1, F=0Es decir, es un punto invariante.

En el límite de fases, P=2, C=1, F=1

En cada fase, P=1, C=1, F=2

Curvas de Solidificación(enfriamiento)

L

S

L

S

Metal puro Aleación

TmL S L + S

Solidificacióncompleta

Comienzo de la solidificación

TL

TS

Construcción de un diagrma de fasessimple

• Realizar un experimento• Tomar 10 muestras de metal(Cu puro,

Cu-10%Ni, Cu-20%Ni, Cu-30%Ni………, Ni puro)

• Fundir cada muestra y dejarlasolidificar

• Registrar las curvas de enfriamiento• Anotar las temperaturas a las cuales

ocurren las transformaciones de fases

Resultados

L

S

L S

t

T

L

L + S

TL

TS S

L

L + S

TL

TS

Cu puroCu-10%Ni

Cu-20%Ni

LL S

Ni puroS

TNi

TCu

Diagrama de fase binario

x xx

x

x

x

xxx

x x

x

x x x x

x x x xL+S

LTemp

TCu

TNi

S

Composición

60 7040 50

%Ni10 80 903020

0 100

Cu Ni

Cu

Ni

Cambios microestructurales durante la solidificación

L

S

L S

T

t

Tm

L

S

Metal puro

S

Cambios microestructurales durante la solidificación

L

S

Aleación

L + STL

TS

L

S

T

t

L

Diagrama de fases binarios

L+S

LT

S

Composición

10 60 70 80 9030 40 50

%B20

0 100

A B

L

L

S

T1

T2

T3

T4

CL C0 CS

Notas• Este es un diagrama de fases en el

equilibrio (enfriamiento lento)• El límite de fases que separa el líquido L de

la región L+S se llama LIQUIDUS• El límite de fases que separa el sólido S de

la región L+S se llama SOLIDUS• La línea horizontal (isoterma) dibujada a

una temperatura específica se llama (Cónoda) TIE LINE

• La cónoda conecta regiones de dos fases• La composición promedio de la aleación es

CO

• La intersección de la cónoda con la línealíquidus entrega la composición del líquido, CL

• La intersección de la cónoda con la líneasolidus entrega la composición del sólido, CS

• A través de un simple balance de masa,CO = fS CS + fL CL

fS + fL = 1CO = fS CS + (1- fS) CL

Sf = 0C − LCSC − LC

Sf = OC − LCSC − LC

Lf = SC − OCSC − LCRegla de

la palanca

Algunos cálculos• En el diagrma a T3, CO= A-40%B,

CS=A-90%B y CL=A-11%B

• Por lo tanto, fS=29/79 o 37% y fL=50/79 o 63%

• Si tomanos una cantidad inicial de aleación=100 g,

Cantidad de sólido=37 g (3.7 g de A y33.4 g de B) y la cantidad de líquido = 63 g (56.07 g de A y 6.93 g de B)

El Diagrama de Fases Eutéctico

T

A B%B

L

a+Lb+L

TE

a+b

E

CE

ab

LiquidusSolidusSolvus

L a + b (TE, CL=CE)

T

A BB

L

a+Lb+L

TE

a+b

E

CE

ab

A o B puros

Otras aleacionesentre A y B

CE

LL

S

a+bLa+b

L

LL+aL a+b

a+b

T

A B%B

L

a+Lb+L

a+b

TE

E

CE

ab

Solidificación de una aleación de composición eutéctica

L

S

a+b

a+b

Microestructura eutécticaEstructura laminar

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T

A B%B

L

a+Lb+L

a+b

TE

CE

ab

L

Proeutectic a

a+b

a+b

L

T

A B%B

L

a+Lb+L

a+b

TE

CE

ab

L

a

b partículas

El Diagrama de Fases Eutéctico

T

A B%B

γ

α+ γβ+ γ

E

TE

α+βCE

αβ

γ α + β (TE, Cγ=CE)

γ

T

A B%B

γ

α+ γβ+ γ

α+β

E

TE

CE

αβ

Enfriamiento de una aleación de composición eutéctica

S

α+β

α+β

γ

γ

T

A B%B

γ

α+ γβ+ γ

α+β

E

TEαβ

Enfriamiento de una aleación de composición hipoeutéctica

S

α+β

α+β

γ

γ

α

α

El Diagrama de Fases Peritéctico

T

A B%B

L

α+ Lβ+ L

α+β

PTP

CP

α

β

α + L β (at TP)

NM

α y L reaccionarán solamente en la proporción= NP:PM

L

L

β

β

T

A B%B

L

α+ Lβ+ L

α+β

PTP

CP

α

β

α + L β ( at TP)

NM

α y L reaccionarán solamente en la proporción= NP:PM

10 25 85

NP:PM=1:2

60

L

L

α

L

α

β

T

A B%B

L

α+ Lβ+ LP

TP

CP

α+β

α

β

α + L β (at TP)

NM

L

L

α

L

β

β