Universidad VeracruzanaFacultad de IngenieraIntegrantes del equipo:Juan E. Gamboa PinedaLuis R. Zamudio UscangaRaul Alejandro Zamudio Uscanga

firma

Diagramas de fases: evolucin del equilibrio microestructural.

LA REGLA DE LAS FASESUna fase es una porcin de microestructura homognea desde el punto de vistaQumico y estructural. Una microestructura compuesta por una sola fase puede ser policristalina (vase la Figura 9.1), pero debe cumplirse la condicin de que cada grano cristalino difiera nicamente en la orientacin cristalogrfica y no en laComposicin qumica. Se debe distinguir entre fase y componente, siendo ste cada una de las distintas sustancias qumicas de las cuales est formada la fase. Por ejemplo, segn se vio en la Seccin 4.1, el cobre y el nquel son de naturaleza tan similar que resultan completamente solubles el uno en el otro en cualquier proporcin (vase la Figura 4.2). En un sistema de este tipo existe una nica fase, que es una solucin slida, y dos componentes (Cu y Ni). Para sistemas que implican a compuestos en lugar de a elementos, los compuestos tambin pueden ser componentes. Por ejemplo, el MgO y el NiO forman soluciones slidas de forma similar al Cu y el Ni (vase la Figura 4.5). En este caso, los dos componentes son el MgO y el NiO. Como se seal en la Seccin 4.1, en muchos sistemas la solubilidad en estado slido es parcial. En ese caso, para ciertas composiciones, el resultado consiste en la formacin de dos fases, cada una de ellas rica en un componente distinto.

Un ejemplo clsico es la estructura de la perlita, mostrada en la Figura 9.2, que est formada por capas alternadas de ferrita y cementita. La ferrita es una solucin Slida compuesta de Fe-a con una pequea cantidad de cementita. La cementita es Fe3C casi puro. Los componentes son, por lo tanto, Fe y Fe3C.

La descripcin de la ferrita como una solucin slida de Fe-a con cementita resulta apropiada para este sistema segn la definicin de componente que aqu se ha dado. Sin embargo, a escala atmica, la solucin slida consiste en tomos De carbono disueltos intersticialmente en la red del cristal de Fe-a; esto es, el componente Fe3C no se disuelve como una unidad molecular discreta. Este hecho es generalmente vlido para compuestos en solucin slida. Se puede definir un tercer trmino en relacin con la fase y el componente. Los grados de libertad son el nmero de variables independientes del sistema. Por ejemplo, un metal puro en las condiciones correspondientes a su punto de fusin no tiene ningn grado de libertad. En esta condicin, o estado, el metal existe en forma de dos fases en equilibrio, esto es, simultneamente en fase lquida y slida.Cualquier incremento en la temperatura cambiar el estado de la microestructura.(Toda la fase slida se fundir y pasar a formar parte de la fase lquida.) De forma similar, incluso una pequea disminucin de la temperatura dar lugar a la completa solidificacin del material. Las variables de estado importantes sobre las cuales el ingeniero de materiales tiene control para establecer una determinada microestructura son la temperatura, presin y composicin.La relacin general existente entre la microestructura y estas variables de estado viene dada por la regla de las fases de G ibbs1, que, sin deduccin, se expresa como

F = C ~ P + 2

Donde F es el nmero de grados de libertad, C es el nmero de componentes y P el nmero de fases2. El 2 de la Ecuacin 9.1 aparece al limitar a dos las variables de estado del sistema (temperatura y presin). Para la mayor parte de los procesos habituales de los materiales relacionados con sistemas condensados, el efecto de la presin no es importante, y se puede considerar que sta se mantiene constante e igual a 1 atm. En este caso, la regla de las fases puede escribirse de nuevo reflejando un grado de libertad menos:

F = C ~ P + 1.

En el caso del metal puro en su punto de fusin, C = 1 y P = 2 (slido + lquido), por lo que F = l 2 + 1 = 0, tal y como se seal anteriormente. Para un metal con una nica impureza (con dos componentes, por lo tanto) las fases lquida y slida pueden, por lo general, coexistir en un intervalo amplio de temperaturas(F = 2 2 + 1 = 1). Este nico grado de libertad significa sencillamente que es posible mantener esta microestructura de dos fases mientras se modifica la temperatura del material. Sin embargo, slo se tiene una variable independiente (F = 1), por lo que, al variar la temperatura, se est modificando de forma indirecta la composicin de las fases individuales. La composicin es, por lo tanto, una variable dependiente en este tipo de sistemas. Esta informacin, obtenida a partir de la regla de las fases de Gibbs, es muy til pero tambin difcil de apreciar sin la ayuda visual proporcionada por el diagrama de fases. Por ello, a continuacin se proceder al estudio de estos mapas de importancia fundamental.

EL DIAGRAMA DE FASES

Un diagrama de fases es cualquier representacin grfica de las variables de estado asociadas con las microestructuras a travs de la regla de las fases de Gibbs. En la prctica, los diagramas de fases de uso comn entre los ingenieros de materiales son los diagramas binarios, que representan sistemas de dos componentes (C = 2 en la regla de las fases de Gibbs), y los diagramas ternarios, que representan sistemas de tres componentes (C = 3).

SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SOLIDOPreviamente se ha hecho referencia a situaciones de miscibilidad total tales comoLas del Cu y el Ni y del MgO y NiO. La Figura 9.5 muestra un diagrama de fases tpico para tales sistemas. Ntese que en este diagrama la temperatura aparece en el eje vertical y la composicin en el eje horizontal. Se indican los puntos de fusin correspondientes a los dos componentes puros A y B. Para temperaturas relativamente altas, cualquier composicin habr fundido completamente para dar lugar a un campo de fase lquida, que es la regin del diagrama de fases indicada con una L y corresponde a la existencia de fase lquida. En otras palabras, A y B son completamente solubles entre s en estado lquido. Lo que resulta inusual en este sistema es que A y B son tambin completamente solubles en estado slido.Las reglas de Hume-Rothery establecen los criterios que rigen la aparicin de este fenmeno en sistemas metlicos.

Existen ciertos sistemas que presentan inmiscibilidad en estado lquido. El aceite y el agua constituyen un ejemplo comn de esto ltimo. Ms relevante para la ingeniera de materiales es el caso de la combinacin de varios silicatos en estado lquido. A temperaturas relativamente bajas, existe un campo correspondiente a una nica fase de solucin slida que se seala como SS.

Entre los dos campos correspondientes a una sola fase se encuentra una regin de dos fases que se indica como L + SS. El lmite superior de la regin de coexistencia de dos fases recibe el nombre de lquidus (la lnea por encima de la cual existe una sola fase lquida). El lmite inferior de la zona bifsica se conoce con el nombre de slidus y es la lnea por debajo de la cual el sistema ha solidificado completamente. En un determinado punto de estado (un par de valores de temperatura y composicin) dentro de la regin bifsica, existe un equilibrio entre un lquido rico en componente A y una solucin slida rica en B.

La composicin de cada fase se establece de la forma que se indica en la Figura 9.6. La lnea horizontal (lnea de temperatura constante) que pasa por el punto de estado corta tanto a la lnea de lquidus como a la de slidus. La composicin de la fase lquida viene dada por el punto de interseccin con la lnea de lquidus. Asimismo, la composicin de la fase slida viene dada por el punto de interseccin con la lnea de slidus. Este procedimiento ser an de mayor utilidad en la Seccin 9.3, al calcular las concentraciones relativas de las dos fases mediante la regla de la palanca.

La Figura 9.7 muestra la aplicacin de la regla de las fases de Gibbs (Ecuacin9.2) en varios puntos de este diagrama de fases. Lo tratado en la Seccin 9.1 se puede ahora relacionar con el resumen grfico que proporciona el diagrama de fases. Por ejemplo, hay un punto invariante (F = 0) en el correspondiente a la fusin del componente puro B. En este caso lmite, el material se transforma en un sistema de un solo componente y cualquier cambio de temperatura modifica la microestructura hacia la correspondiente a totalmente lquido (por calentamiento) o hacia la correspondiente a totalmente slido (por enfriamiento). Dentro de la zona de coexistencia de dos fases (L + SS) hay un grado de libertad.

La Figura 9.8 resume las microestructuras caractersticas de las distintas regiones en este diagrama de fases. El uso ms amplio de los diagramas de fases en ingeniera de materiales es, con diferencia, es el de los materiales inorgnicos, en las industrias metlicas y cermicas. Las aplicaciones relacionadas con polmeros, por lo general, llevan asociados diagramas para sistemas de un nico componente y/o estructuras de no equilibrio que no resulta adecuado presentar como diagramas de fases.

El empleo comn de fases de elevada pureza en la industria de semiconductores tambin limita la aplicacin de los diagramas de fases. El sistema Cu-Ni de la Figura 9.9constituye el ejemplo clsico de un diagrama binario con solubilidad total en estado slido. Hay toda una variedad de aleaciones comerciales cobre-nquel comprendido en este sistema, incluido la superleacin denominada Monel.

El sistema NiOMgO (Figura 9.10) es un sistema cermico anlogo al sistema Cu-Ni (esto es, presenta solubilidad total en estado slido). Mientras las reglas de Hume-Rothery hacen referencia a la solucin slida en metales, el requisito de semejanza de los cationes constituye una base comparable para la solucin slida en la estructura de estos xidos.Obsrvese que el eje de composicin del diagrama de fases NiOMgO (as como el resto de los diagramas de fases cermicos que siguen) se expresa en porcentaje molar en lugar de porcentaje en peso. El uso del porcentaje molar no influye en la validez de los clculos que se realizarn en la Seccin 9.3 empleando la regla de la palanca. El nico efecto en los resultados que se obtienen es que corresponden a fracciones molares en lugar de fracciones en peso.

DIAGRAMA EUTCTICO CON INSOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SLIDOLa Figura 9.11 muestra el diagrama de fases caracterstico de este tipo deSistemas. Hay varios detalles que distinguen este diagrama del que caracteriza a un sistema con solubilidad total en estado slido. En primer lugar, a temperaturas relativamente bajas existe una zona de coexistencia de dos fases para los slidos puros A y B, lo que resulta consecuente con la observacin realizada acerca de laInmiscibilidad de los dos componentes del sistema (A y B). En segundo lugar, elSlidos es una lnea horizontal que se corresponde con la temperatura eutctica.Esta denominacin tiene su origen en el trmino griego eutektos, que significaFundir bien.

La Figura 9.12 muestra algunas microestructuras representativas de un diagramaEutctico binario. Las microestructuras correspondientes al lquido y al lquido + slido son comparables a las mostradas en la Figura 9.8. Sin embargo, la microestructura del sistema completamente slido presenta una diferencia fundamental.En la Figura 9.12, se ve una microestructura eutctica de grano fino en la que los dos componentes, A puro y B puro, se disponen segn capas alternadas. Ser apropiado analizar con ms profundidad las microestructuras en estado slido cuando se estudie la regla de la palanca en la Seccin 9.3.

Disponible para la transformacin evita una difusin significativa (Seccin 5.3). LaSegregacin de los tomos de A y B (que se encontraban mezclados de forma aleatoria en el estado lquido) en fases slidas distintas debe llevarse a cabo, por consiguiente, a corta escala. Los distintos sistemas eutcticos presentan distintas morfologas.Pero siempre que la morfologa, ya sea laminar, nodular o de cualquier otro tipo, sea estable, todas las microestructuras eutcticas tendrn, por lo general, tamao de grano fino.

DIAGRAMA EUTCTICO CON SOLUBILIDAD PARCIAL EN ESTADO SLIDO

El resultado es un diagrama de fases intermedio entre los dos casos que se han descrito hasta ahora. La Figura 9.14 muestra un diagrama eutctico con solubilidad parcial en estado slido.

Estas zonas monofsicas son comparables a la regin SS de la Figura 9.5, exceptuando el hecho de que los componentes de la Figura 9.14 no coexisten formando una nica solucin slida cerca de la zona central del intervalo de composiciones. Como consecuencia de ello, se pueden distinguir dos fases de solucin slida, a y /?, que poseen con Secuencia estructuras cristalinas distintas. En cualquier caso, la estructura cristalina de a ser la misma que la del componente A y la de ser la del componente B, porque

Cada componente acta como disolvente del otro, que es el componente con carcter de impureza (por ejemplo, la fase a est formada por tomos del componente B en solucin slida dentro de la red cristalina del componente A). El uso de las lneas de temperatura constante para la determinacin de las composicin de las fases a y en las zonas bifsicas es idntico al ilustrado en la Figura 9.6, proporciona algunos ejemplos de esto ltimo junto con microestructuras representativas.

Sistema Pb-Sn (Figura 9.16) es un buen ejemplo de una eutctica binariaCon solubilidad parcial en estado slido. Las aleaciones comunes para soldaduraCaen dentro de este sistema. Sus bajos intervalos de fusin permiten la unin de la mayora de los metales a travs de procedimientos de calentamiento adecuados, con bajo riesgo de daado de las partes sensibles al calor.

Las aleaciones para soldadura prximas a la composicin eutctica (aproximadamente un 60 por ciento en peso de estao) se emplean para componentes electrnicos sensibles al calor que requieren un aporte de calor mnimo.

DIAGRAMA EUETOIDE

La transformacin durante el enfriamiento de un lquido con la composicin eutctica en dos fases slidas con una microestructura caracterizada por un tamao de grano relativamente fino puede ser considerada como un tipo especial de reaccin qumica. La reaccin eutctica se puede escribir como enfriamiento:

L (eutctico) -------------- a + B (9.3)

Algunos sistemas binarios presentan una reaccin en estado slido anloga a la reaccin eutctica. La reaccin eutectoide viene dada por

Y (eutectoide)------------- a + P (9.4)

Donde eutectoide significa similar a la eutctica. Las diferentes morfologasQue presentan las microestructuras eutctica y eutectoide sirven para subrayarla idea apuntada anteriormente acerca de que, aunque vare la morfologa deEste tipo de estructuras de difusin limitada, todas ellas tendrn en comn, por lo general, un tamao de grano fino.

La reaccin eutectoide desempea un importante papel en la tecnologa de la fabricacin del acero.

DIAGRAMA PERITCTICO

En todos los sistemas binarios que se han estudiado hasta el momento los componentes puros presentaban temperaturas de fusin bien diferenciadas. En algunos sistemas, sin embargo, los componentes forman compuestos estables que pueden tener una temperatura de fusin no tan clara. En este sencillo ejemplo, A y B forman el compuesto estable AB, que no funde a una nica temperatura, como hacen los componentes A y B. Una simplificacin adicional en este ejemplo consiste en pasar por alto la posibilidad de que los componentes y el compuesto intermedio formen alguna solucin slida. Se dice que los componentes experimentan una fusin congruente; esto es, que el lquido que se forma tras la fusin tiene la misma composicin que el slido a partir del cual se form. Por el contrario, se dice que el compuesto AB (que es 50 por ciento molar en A y 50 por ciento molar en B) experimenta una fusin incongruente; esto es, que el lquido que se forma tras la fusin tiene una composicin distinta a la del compuesto AB. Se emplea el trmino peritctico para describir este fenmeno de fusin incongruente. Peritctico proviene de un trmino griego que significa fundir alrededor. La reaccin peritctica se puede escribir como donde la composicin del lquido se indica en el diagrama peritctico. La Figura 9.22 muestra algunas microestructuras representativas. El diagrama de fases correspondiente al sistema Al20 3-S i0 2, uno de los ms importantes en la tecnologa de materiales cermicos, es un ejemplo clsico de diagrama peritctico