Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALÚRGICA

“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”

“Diagramas de Equilibrio de Fases y

Transformaciones de Fase”

Ciclo :

Docente : Ing.

Integrantes:

Huacho – Perú

2013

RESUMEN

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase, diagrama de

equilibrio de fases o diagrama de estados de la materia, a la representación gráfica de

las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de

variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas

representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se

suele denominar diagrama de cambio de estado.

Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que

pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a

distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de

la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que

generalmente los materiales están en estado sólido.

Existen diferentes diagramas de equilibrio según los materiales sean totalmente

solubles en estado sólido y líquido o sean miscibles a que sean insolubles. También

pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el

de los aceros que tiene particularidades y donde afecta claramente la concentración y

las diferentes cristalizaciones que puede darse en el hierro estando en estado sólido y

a diferentes temperaturas.

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ÍNDICEINTRODUCCIÓN viiCAPITULO I: DEFINICIONES Y CONOCIMIENTOS PREVIOS 81. MICROESTRUCTURA 82. FASE 133. COMPONENTE 154. SOLUBILIDAD 15

a. Solución Solida 18b. Solución Saturada 19c. Solución Insaturada 19

5. LÍMITE DE SOLUBILIDAD 19CAPITULO II: EQUILIBRIO DE FASES 211. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS 21

a. Energía Libre De Gibbs G 22b. Equilibrio 24

i. Meta Estable 26ii. Estable 27

2. REGLA DE FASES DE GIBBS 27a. Equilibrio De Fases Termodinámico 27

CAPITULO III: DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES 281. INTRODUCCIÓN 292. DIAGRAMA DE FASE DE EQUILIBRIO (MONO COMPONENTE) 29

a. Ejemplo: Diagrama De Fases Del Agua 31b. Ecuación De Clausius Clapeyron 32

3. DIAGRAMA DE FASES BINARIAS 33a. Tipos 35

i. Solubilidad Total En Fase Sólida Y Liquida (Aleación Isomorfa)

35

1. Ejemplo Aleación Cu-Ni 38ii. Separación De Fase 38

1. Ejemplo Cr-W 40iii. Sistema Eutéctico Con Solubilidad Parcial 40

1. Ejemplo Ag-Cu 41iv. Diagrama De Fases Con Compuestos Intermedios 42

1. Ejemplo Mg-Pb 44v. Puntos Singulares 44

1. Reacciones Invariables 44a. Reacción Eutéctica 46b. Reacción Eutectoide 46c. Reacción Peritectica 47

4. INTERPRETACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASES 47a. Zona Bifásica: Proporción De Cada Fase 49b. La Ley De La Palanca 49

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5. CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE FASE 516. RELACIÓN ENTRE DIAGRAMAS DE FASE Y MICROESTRUCTURAS 537. EL DIAGRAMA DE FASES FE-C (ACEROS) 55CAPITULO IV: CINÉTICA: NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE FASES 63

1. DIFUSIÓN 63a. Primera Ley De Fick 64b. Segunda Ley De Fick 64

2. INTERCARAS 65a. INTERCARAS EN FASE SOLIDA 65

i. Coherente 65ii. Incoherente 65

3. FUERZA IMPULSORA DE TRANSFORMACIÓN (CAMBIO DE ENERGIA DE GIBBS)

66

4. NUCLEACIÓN DE UNA NUEVA FASE 66a. Nucleación Homogénea 66b. Nucleación Heterogénea 68

5. CRECIMIENTO 686. TRANSFORMACIÓN 68

CAPITULO V: TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS ALEACIONES METÁLICAS 711. IMPORTANCIA 712. TRATAMIENTO TÉRMICO DE PRECIPITACIÓN 723. RECOCIDO 73

CONCLUSIONES 75BIBLIOGRAFÍA 77ANEXOS 78

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ÍNDICE DE FIGURASPág.

Fig. 1 La Energía Libre De Gibbs 9Fig. 02 energía libre de superficie 9Fig. 3 Átomos 10Fig. 4 Energía Total 10Fig. 5 Proceso De Solidificación 11Fig. 6 Formaciones De Núcleos 11Fig. 7 Tipos De Núcleos 12Fig. 8 Microestructura Del Acero 13Fig. 9 Cambio De Fase 14Fig. 10 Soluciones Solidas Ab 17Fig. 11 Solución Solida 18Fig. 12 Límites De Solubilidad 20Fig. 13 Estados De Equilibrio 22Fig. 14 Equilibrios 25Fig. 15 Un Sistema Metaestable Con Un Estado Débilmente Estable (1), Un Estado Inestable De Transición (2) Y Un Estado Fuertemente Estable (3).

26

Fig. 16 Equilibrio De Fases Termodinámico 27Fig. 17 Diagrama De Fases 29 Fig. 18 En El Diagrama De La Figura Las Líneas Ab, Bd Y Bc Corresponden A Valores (P,T) En Las Que Coexisten Dos Fases:

30

Fig. 19 Diagrama De Fase Binario 35 Fig. 20 Cambio De La Composición A Medida Que Cambia La Temperatura 36Fig. 20 B Aleación Isomorfa 38Fig. 21 Nucleación 40Fig. 22 Separaciones De Fases 41Fig. 23 Sistema Eutéctico 41Fig. 24 Compuestos Intermedios 44Fig. 25 Diagrama De Fases En Equilibrio Plomo-Estaño. 45Fig. 26 Diagrama De Fases Fe- Fe3c. La Línea Vertical A 6.67% C Es El Compuesto Estequiométrico Fe3c.

46

Fig. 27 Un Diagrama De Equilibrio Peritectica Generalizado 47Fig. 28 Sistema Eutéctico 52Fig. 29 Difusión 63Fig. 30 Intercaras 65Fig. 31 Gráfica Del Recocido Normal 74

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ÍNDICE DE ANEXOS

Pág.Anexo 01 diagrama de fases Fe-C 78

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INTRODUCCIONExisten diferentes diagramas de equilibrio según los materiales sean totalmente

solubles en estado sólido y líquido o sean miscibles a que sean insolubles. También

pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el

de los aceros que tiene particularidades y donde afecta claramente la concentración y

las diferentes cristalizaciones que puede darse en el hierro estando en estado sólido y

a diferentes temperaturas.

Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA,

TB) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase

única líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de

comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los metales

en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla

líquida, XA + XB, la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento,

llegamos a obtener el producto que se denomina aleación de los metales A y B.

Es conocido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros.

Realmente debería decirse que introducen variables que diferencian el

comportamiento de los metales puros que las componen, porque en algunas

circunstancias pueden perjudicar sus propiedades. Obviamente, conformar una

aleación es uno de los medios más primitivos que la ingeniería ha dispuesto para

actuar sobre las propiedades de los metales puros, incluso históricamente la aleación

es predecesora como lo justifica el bronce, Edad del bronce

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios,

mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una

sustancia pura.

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CAPITULO I

DEFINICIONES Y CONOCIMIENTOS PREVIOS

En la actualidad, conocer las propiedades y las características de los materiales

empleados en la ingeniería es de gran importancia, entre ellas la microestructura de

los mismos; ya que mediante ellas podemos determinar qué clase de material emplear

en ocasiones determinadas.

1. MICROESTRUCTURA

La microestructura es la estructura más fina de un material que es detectada con la

ayuda de un microscopio. Esta puede ser modificada, lo que le permite al ingeniero

escoger una combinación con las propiedades más adecuadas según la aplicación a

emplear, tomando en cuenta que sea un material el cual lleve un proceso de

producción industrial.

Los materiales en estado sólido poseen microestructura. La microestructura no es

más que el conjunto de granos, o cristales, observados generalmente por medio de un

microscopio óptico. La microestructura de un material se forma durante el proceso de

solidificación del mismo. Suponga que se tiene un metal cualquiera en estado líquido

dentro de un recipiente. Los átomos que forman al metal poseen una cierta cantidad

de energía almacenada. A esa energía almacenada se le llama Energía Libre de

Volumen, y se representará por la letra G. El metal en estado líquido posee entonces

una Energía Libre de Volumen Gs.

Imagínese que el metal dentro del recipiente se vuelve sólido. Suponga que la

solidificación se da a temperatura constante, es decir, la temperatura del metal líquido

es la misma que la del metal sólido. Los átomos en estado sólido también poseen una

cierta cantidad de Energía Libre de Volumen almacenada. A esa cantidad se le

representará por Gl.

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Para la misma cantidad de material y para la misma temperatura, la Energía Libre de

Volumen en estado líquido es diferente a la Energía Libre en estado sólido. El líquido

posee mayor Energía Libre que el sólido a la misma temperatura.

Fig. 1 la energía libre de Gibbs

Cuando el material pasa de líquido a sólido a temperatura constante, debe cambiar su

Energía Libre de Volumen en una cantidad ∆G = Gs - G L. Como la Energía del sólido es

menor que la del líquido, durante el cambio de fase el material libera energía en una

cantidad igual a ∆G.

Por otro lado, cuando se va formando el sólido durante el cambio de fase, se forma

también una superficie, la cual no es más que una interface entre el sólido y el entorno

que lo rodea. Los átomos que forman la superficie poseen mayor energía que los

átomos que se encuentran en el interior del sólido. A la energía que se guarda en la

superficie del sólido se le llama Energía Libre de Superficie, y se representa por la

letra .λ

Fig. 2 energía libre en la superficie

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En el proceso de solidificación se dan entonces dos fenómenos de transferencia de

energía:

Los átomos que pasan del estado líquido al sólido liberan la energía ∆G.

Los átomos que forman la superficie del sólido absorben la energía . λ

Suponga que los átomos cuando solidifican forman una esfera de radio r.

Fig. 3 Átomos

El cambio total de energía para la esfera será:

∆ E=43π r3 (∆G )+4 π r2 λ

Fig. 4 energía total

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De la termodinámica sabemos que los fenómenos espontáneos en la naturaleza

siempre se dan en la dirección hacia donde la energía total disminuye. Para el proceso

de solidificación se ha propuesto lo siguiente:

Fig. 5 proceso de solidificación

Si el radio r de la partícula es menor que r*, al aumentar el radio de la esfera (lo que

significa que el líquido que la rodea solidifica debido a que los átomos se adhieren a la

esfera) aumenta la energía total de la esfera. Este fenómeno no puede ser espontáneo

y la partícula (llamada embrión) se desintegra (sus átomos vuelven al estado líquido).

Sin embargo, si el radio de la partícula es mayor que r*, la energía total de la esfera

disminuye cuando ésta aumenta su radio. La esfera crece espontáneamente haciendo

que los átomos que le rodean se adhieran al sólido. En este caso la esfera recibe el

nombre de núcleo. Durante la solidificación se forman muchos núcleos

simultáneamente y cada uno de ellos crecerá y formará un grano de material.

Fig. 6 formaciones de núcleos

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La solidificación del material se da por medio de un proceso de nucleación y

crecimiento.

La nucleación se divide en dos tipos:

1. Nucleación Homogénea: cuando se juntan varios átomos y forman un núcleo

completamente rodeado de líquido.

2. Nucleación Heterogénea: cuando el núcleo se forma sobre impurezas o en

las paredes que contienen líquido. El núcleo no se encuentra totalmente

rodeado de líquido.

Fig. 7 tipos de núcleos

El área superficial del núcleo heterogéneo es menor, por lo que requiere de menor

cantidad de energía para formarse. Normalmente los procesos de solidificaciónλ

reales comienzan debido a una nucleación heterogénea. La nucleación homogénea

raras veces se da en la vida real. Cuando el material es puro, es decir cuando está

formado por átomos de la misma naturaleza química, todos los granos que se forman

durante la solidificación poseen la misma estructura cristalina. Cuando el material

posee impurezas (átomos de diferente naturaleza química), pueden formarse granos

con diferente estructura cristalina. La microestructura del material no es más que el

conjunto de granos (ya sean iguales o diferentes) observados por medio de un

microscopio óptico.

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Fig. 8 microestructura del acero

En la microestructura del material, al conjunto de granos que poseen la misma

estructura cristalina y las mismas propiedades se le llama fase. En la fotografía

anterior, el material está formado por dos fases: la fase clara y la fase oscura. Cada

fase está formada por muchos granos. Todos los granos que pertenecen a la misma

fase tienen la misma estructura cristalina y las mismas propiedades. En estado sólido,

un material puede poseer varias fases sólidas. La combinación de estas fases define

las propiedades del material.

2. FASE

En termodinámica y química, se denomina fase (del latín phase: partes o fase) a cada

una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades físicas

homogéneas que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan

homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o

sistemas heterogéneos.

Se debe distinguir entre fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el

grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases

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distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es

frecuente confundir fase y microconstituyente; por ejemplo, en un acero cada grano

de perlita es un microconstituyente, pero está formado por dos

fases, ferrita y cementita.

Los líquidos provenientes de diferentes reacciones suelen contener diferentes fases,

es decir, dos o más líquidos que se separan tras un corto tiempo en reposo,

generalmente se obtiene una fase acuosa y otra orgánica. Una fase posee

características físicas y químicas relativamente homogéneas y puede constar de uno o

varios compuestos. Sin embargo, cuando las propiedades de otro o más compuestos

difieren en tal grado que dejan de ser compatibles, entonces hay separación de fases.

Esta característica se observa, por ejemplo, al mezclar agua y aceite y dejarlos reposar

unos minutos. Se observa una línea divisoria o interface, dado que estos materiales no

son compatibles y se separan en fases.

Fase: porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes: un material puro, un líquido o un gas se consideran fases. Si una sustancia sólida puede existir en dos o más formas al mismo tiempo (por ej., puede tener tanto la estructura FCC como la BCC), cada una de estas estructuras es una fase separada.

Fig. 9 cambio de fase

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3. COMPONENTE

Un componente es un elemento, un metal y/o un compuesto químico que forma parte

del sistema.

Un compuesto es una sustancia formada por la unión de dos o más elementos de

la tabla periódica. Una característica esencial es que tiene una fórmula química. Por

ejemplo, el agua es un compuesto formado por hidrógeno y oxígeno en la razón de 2 a

1 (en número de átomos): H2O.

En general, esta razón es debida a una propiedad intrínseca (ver valencia). Un

compuesto está formado por moléculas o iones con enlaces estables y no obedece a

una selección humana arbitraria. Por este motivo el bronce o el chocolate son

denominados mezclas o aleaciones, pero no compuestos.

Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por procesos físicos

(decantación, filtración, destilación, etcétera), sino sólo mediante procesos químicos.

4. SOLUBILIDAD

Solubilidad es una medida de la capacidad de disolverse una determinada sustancia

(soluto) en un determinado medio (solvente); implícitamente se corresponde con la

máxima cantidad de soluto disuelto en una dada cantidad de solvente a una

temperatura fija y en dicho caso se establece que la solución está saturada. Su

concentración puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o también en

porcentaje de soluto (m(g)/100 mL) . El método preferido para hacer que el soluto se

disuelva en esta clase de soluciones es calentar la muestra y enfriar hasta temperatura

ambiente (normalmente 25 C). En algunas condiciones la solubilidad se puede

sobrepasar de ese máximo y pasan a denominarse como soluciones sobresaturadas.

No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se

disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. En la

solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a

este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con

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más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en

éter etílico.

Entonces para que un compuesto sea soluble en éter etílico ha de tener escasa

polaridad; es decir, tal compuesto no ha de tener más de un grupo polar. Los

compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad, como

son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados.

El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del

proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las

soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y

del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la

tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de

interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar

agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.

La solubilidad se define para fases específicas. Por ejemplo, la solubilidad

de aragonito y calcita en el agua se espera que difieran, si bien ambos son polimorfos

de carbonato de calcio y tienen la misma fórmula molecular.

La solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas

intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y la variación de entropía que

acompaña a la solvatación. Factores como la temperatura y la presión influyen en este

equilibrio, cambiando así la solubilidad.

La solubilidad también depende en gran medida de la presencia de otras sustancias

disueltas en el disolvente como por ejemplo la existencia de complejos metálicos en

los líquidos. La solubilidad dependerá también del exceso o defecto de

algún ion común, con el soluto, en la solución; tal fenómeno es conocido como el efecto

del ion común. En menor medida, la solubilidad dependerá de la fuerza iónica de las

soluciones. Los dos últimos efectos mencionados pueden cuantificarse utilizando la

ecuación de equilibrio de solubilidad.

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Para un sólido que se disuelve en una reacción redox, la solubilidad se espera que

dependa de las posibilidades (dentro del alcance de los potenciales en las que el sólido

se mantiene la fase termodinámicamente estable). Por ejemplo, la solubilidad

del oro en el agua a alta temperatura se observa que es casi de un orden de magnitud

más alta cuando el potencial redox se controla mediante un tampón altamente

oxidante redox Fe3O4-Fe2O3 que con un tampón moderadamente oxidante Ni-NiO.

Fig. 10 soluciones solidas AB

La solubilidad (meta estable) también depende del tamaño físico del grano de cristal o

más estrictamente hablando, de la superficie específica (o molar) del soluto. Para

evaluar la cuantificación, se debe ver la ecuación en el artículo sobre el equilibrio de

solubilidad. Para cristales altamente defectuosos en su estructura, la solubilidad

puede aumentar con el aumento del grado de desorden. Ambos efectos se producen

debido a la dependencia de la solubilidad constante frente a la denominada energía

libre de Gibbs asociada con el cristal. Los dos últimos efectos, aunque a menudo difícil

de medir, son de relevante importancia en la práctico pues proporcionan la fuerza

motriz para determinar su grado de precipitación, ya que el tamaño de cristal crece de

forma espontánea con el tiempo.

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a. Solución Solida:

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en

un disolvente. El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina

del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del

disolvente por un átomo del soluto (y formará una solución sólida

sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos de soluto

dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de

solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan,

aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad

física y eléctrica del material disolvente.

Fig. 11 solución solida

Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado

rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca

soluciones sólidas. La propensión de dos sustancias a formar una solución

sólida sustitucional es un asunto complicado que dependerá de las

propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los materiales en

cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas (con

solubilidad total) siempre que solvente y soluto tengan:

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Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener

solubilidad total): Cuanto más similares sean, menor distorsión de red y

por tanto mayor solubilidad.

Igual estructura cristalina.

Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad

electroquímica para formar solución sólida. En caso de tener gran

afinidad electroquímica se pierde el carácter metálico y se refuerza el

carácter iónico o covalente en la aleación.

Similar valencia: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica

que el disolvente, se favorece la solubilidad.

Existen 2 tipos de soluciones solidas:

Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o

iones del solvente

Intersticial: Él átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la

celda unitaria del solvente.

b. Solución saturada: en las soluciones en que existe la mayor cantidad de

soluto capaz de mantenerse disuelto, a una temperatura estable, en un

solvente, se las conoce bajo el nombre de soluciones saturadas. En caso de

que se agregue mayor cantidad de soluto, la mezcla superaría su capacidad

de disolución.

c. Solución insaturada: estas soluciones, también conocidas bajo el nombre

de diluidas, son aquellas en las que la masa de solución saturada es, en

relación a la del soluto disuelta, mayor para la misma masa de solvente y a

igual temperatura.

5. LÍMITE DE SOLUBILIDAD

Límite de solubilidad: en muchas aleaciones y para una temperatura específica, existe

una concentración máxima de átomos de soluto. La adición de un exceso de soluto a

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este límite de solubilidad forma otra disolución sólida o compuesto con una

composición totalmente diferente.

Fig. 12 límites de solubilidad

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CAPITULO II

EQUILIBRIO DE FASES

1. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad

denominada temperatura empírica , que es común para todos los estados deθ

equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos

evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».

Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que

midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco

teórico de la termodinámica.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en

el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del

sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión

lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del

tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su

vez está dentro de la físico química y no es parámetro debido a que a la

termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas

variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas

térmicas y dinámicas del sistema.

Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado

formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que

recibiese el nombre de principio cero.

La materia puede existir en diferentes estados (sólido, líquido, gas) en función de las

condiciones de temperatura, presión y composición. Además, un sólido puede poseer

diferentes estructuras atómicas bajo distintas condiciones. Los principios de la

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termodinámica controlan el estado de equilibrio de un material (la fase o las

combinaciones de fases) en función de las condiciones de P, T y la composición.

Supongamos por ejemplo la energía potencial de un sistema:

Fig. 13 estados de equilibrio

Para un sistema a T y P determinadas, la función que mejor describe la energía de un

sistema es la energía libre de Gibbs G:

Variables intensivas: Temperatura, T (K); Presión, P (Pa); Variables extensivas (al

dividir por mol pasan a ser variables intensivas): Energía interna E (J/mol); Volumen

(molar), V (m3/mol), Entropía (J/K mol) fracción molar, X; potencial químico µ

(J/mol).

a. Energía Libre De Gibbs G

En termodinámica, la energía libre de Gibbs (energía libre o entalpía libre) es

un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con

unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para

una reacción química (a presión y temperatura constantes).

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La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química

espontánea hace que la entropía del universo aumente, S universo > 0, asíΔ

mismo S universo está en función de S sistema y S alrededores. Por loΔ Δ Δ

general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el

cálculo de S alrededores puede ser complicado.Δ

Por esta razón fue necesaria otra función termodinámica, la energía libre de

Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea

tomando en cuenta solo las variables del sistema.

G=H−TS

donde H es la entalpía o contenido de calor; T es la temperatura y S es

la entropía del sistema. Fue desarrollada en los años 1870 por el físico-

matemático estadounidense Williard Gibbs.

La energía libre de reacción, se denota, G Δ reacción, es el cambio de energía en

una reacción a condiciones estándares. En esta reacción los reactivos en su

estado estándar se convierten en productos en su estado estándar.

Dada la siguiente ecuación química:

aA + bB cC + dD

La energía libre se calcula como:

ΔG reaccion=(c ΔG f (C )+d ΔGf (D ) )−(a ΔGf ( A )+b ΔGf (B ))

Donde A y B son los reactivos en estado estándar y; C y D son los productos en

su estado estándar. Además a, b, c y d son sus respectivos coeficientes

estequiométricos. En general:

ΔG reacc ion=∑i

ni ΔGf ( productos)−¿∑j

miΔG f (reactivos )¿

Donde ni y mj son la multiplicación de los coeficientes estequiométricos.

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Así como en el cálculo de la entalpía, en la energía libre estándar de formación

para cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25ºC) es 0

La variación de energía libre de Gibbs para un proceso a temperatura

constante viene dada por:

G=H−TS . Δ S

La temperatura puede ser un factor determinante a la hora de hacer que un

proceso sea espontáneo o no lo sea.

b. Equilibrio

En termodinámica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio

termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio

de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas

determinadas condiciones de contorno, (las condiciones que le imponen sus

alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio

térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.

El general de un sistema termodinámico en equilibrio queda determinado por

los valores de sus cantidades y parámetros intensivos tales como: la presión,

la temperatura, etc. Específicamente, el equilibrio termodinámico se

caracteriza por tener un valor mínimo en sus potenciales, tales como la energía

libre de Helmholtz, es decir, sistemas con temperatura y volumen constantes

siempre y cuando:

A = U – TS   ,  A = 0Δ

O la energía libre de Gibbs, es decir, en sistemas caracterizados por tener la

presión y las temperaturas constantes:

G = H – TS  ,  G = 0Δ

El proceso que gobierna un sistema hacia el equilibrio termodinámico se

denomina entropía. Un ejemplo de este tipo de procesos es el que tiene lugar

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en un sistema de partículas interactuantes y que se abandona a sus propias

influencias. Un sistema tal y como este intercambia energía/momentum entre

las partículas que lo constituyen hasta que las variables macroscópicas que

definen el sistema permanecen invariables en el tiempo.

La termodinámica clásica trata, casi siempre, de transformaciones entre

estados de equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado que ha repartido

sus variables hasta que no hay cambios. En el estado de equilibrio no hay

potenciales sin balancear (o fuerzas perturbadoras) con el sistema. Un sistema

se dice que ha llegado al equilibrio termodinámico cuando no experimenta

cambios al haber sido aislado de su entorno.

Fig. 14 equilibrios

Dos sistemas se dicen que están en equilibrio térmico cuando el valor de

sus temperaturas es la misma.

Dos sistemas se dicen que están en equilibrio mecánico cuando el valor de

sus presionases la misma.

Dos sistemas se dicen que están en equilibrio de fases cuando el valor de

sus potenciales químicos es el mismo en cada fase en que se encuentre

presente la especie.

Todas las fuerzas están balanceadas.

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25

i. Meta Estable:

La metaestabilidad es la propiedad que un sistema con varios estados

de equilibrio, tiene de exhibir, durante un considerable espacio de

tiempo, un estado de equilibrio débilmente estable. Sin embargo, bajo

la acción de perturbaciones externas (a veces no fácilmente

detectables) dichos sistemas exhiben una evolución temporal hacia un

estado de equilibrio fuertemente estable. Normalmente la

metaestabilidad es debida a transformaciones de estado lentas.

Si representamos un sistema físico-químico por su energía potencial,

un estado metaestable estará caracterizado por un estado que

corresponde a un pseudo-mínimo de energía. Para que el sistema

pueda alcanzar el estado de energía mínima que corresponde al

estado de equilibrio termodinámico, es necesario suministrarle una

cantidad de energía llamada energía de activación.

Fig. 15 Un sistema metaestable con un estado débilmente estable (1),

un estado inestable de transición (2) y un estado fuertemente estable

(3).

En física, un estado metaestable es un estado que es un mínimo local

de energía, que no es totalmente estable bajo perturbaciones del

sistema por encima de cierta magnitud.

El agua en sobrefusión. Las gotas de agua pura en suspensión en un

aire también muy puro no se congelan a los 0 °C, sino que siguen en

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26

estado líquido hasta alcanzar los - 39 °C. Este estado de sobrefusión

cesa bruscamente cuando la gota entra en contacto con un cuerpo

externo (como un cristal de hielo).

Para un isótopo radioactivo, el estado de inestabilidad está

caracterizado por el período radiactivo de desintegración, más o

menos largo (abarcando desde minutos hasta varios siglos e incluso

millones de años).

2. REGLA DE FASES DE GIBBS

Para que un sistema esté en equilibrio el líquido tiene que ser homogéneo y las fases

están a la misma temperatura para que no haya intercambio de calor entre ellas. Los

elementos que caracterizan un sistema en equilibrio son:

Número de componentes Número de fases Grado de libertad

El grado de libertad es el número de variables independientes que se dan en las

condiciones de equilibrio. Son: P (presión), T (temperatura) y concentración.

Fig. 16 Equilibrio De Fases Termodinámico

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27

CAPITULO III

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES

1. INTRODUCCIÓN

Los diagramas de fase son representaciones gráficas a varias temperaturas, presiones

y composiciones del sistema bajo análisis. Los diagramas de equilibrio de fase son

mapas (por ejemplo, en el espacio temperatura-presión o temperatura-composición)

de las fases de equilibrio de un material en función de las condiciones de P, T y

composición.

La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de

equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y

científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los

materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus

composición.

Información que podemos obtener de los diagramas de fase:

Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas

bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento

(o compuesto) en otro.

Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de

equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la

solidificación.

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

A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases

están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que

inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico

de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El

Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.

28

diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles

son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar

las fases presentes.

Fig. 17 diagrama de fases

2. DIAGRAMA DE FASE DE EQUILIBRIO (MONO COMPONENTE)

Vamos a centrarnos en el estudio del equilibrio de fases en sistemas formados por un

solo componente. Para especificar el estado termodinámico de un sistema formado

por una sustancia pura el número variables intensivas independientes que hay

conocer (grados de libertad) es:

Si hay presente una fase, L=1componente-1fase+2=2 variables, es necesario

especificar por ejemplo la P y la T

Si hay presente dos fases, L=1componente-2fases+2=1 variable, es necesario

especificar sólo P o T

Si hay presente tres fases, L=1componente-3fases+2=0 variables

Por tanto podemos representar cualquier estado de equilibrio del sistema formado

por una sustancia pura mediante un punto en un diagrama bidimensional de presión-

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29

temperatura. Este diagrama se denomina diagrama de fases. Un ejemplo del diagrama

de fases de una sustancia pura se muestra en la figura. (fig. 18)

En el diagrama de la figura las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P,T) en las

que coexisten dos fases:

En AB coexisten en equilibrio sólido y gas. La curva AB es la curva de presión

de vapor del sólido

En BD coexisten en equilibrio sólido y líquido.

En BC coexisten en equilibrio líquido y gas.

El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y

gas, y se denomina Punto Triple. Este punto, que indica la temperatura mínima a la

que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse

como referencia para calibrar termómetros.

El punto C indica el valor máximo (PC,TC) en el que pueden coexistir en equilibrio dos

fases, y se denomina Punto Crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se

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30

puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores

que TC y PC se denominan fluidos supercríticos.

Definiciones:

Punto de ebullición: se define punto de ebullición de un líquido a la presión P,

como la temperatura a la cual la presión de vapor de equilibrio del líquido es

igual a dicha presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de

ebullición es T2. La curva BC representa la presión de vapor del líquido en

función de la temperatura, y/o la temperatura de ebullición en función de la

presión

Punto de fusión: se define punto de fusión de un sólido a la presión P, como la

temperatura a la cual el sólido y el líquido se encuentran en equilibrio a dicha

presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de fusión de la

sustancia será T1.

Si la presión es de 1 atmósfera (o más correctamente, de 1 bar) a estos puntos

se les denomina punto de ebullición y punto de fusión

normales respectivamente.

a. Ejemplo: Diagrama De Fases Del Agua

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31

b. Ecuación De Clausius Clapeyron

La ecuación de Clapeyron permite calcular la pendiente de una línea de

equilibrio entre dos fases en el diagrama de fases P-T de un sistema de un

componente.

Esta ecuación relaciona la dependencia de la temperatura y la presión de vapor

de un líquido con el calor de vaporización.

Clausius introdujo esta modificación de la ecuación de Clapeyron luego de

aproximadamente 30 años con el fin de mejorar la versatilidad de la expresión.

Así pues, la ecuación de Clapeyron puede expresarse en una forma aproximada

conveniente cuando se trata de los equilibrios de vaporización y sublimación.

En estos casos, el volumen molar del gas (  ) es mucho mayor que el de la

fase condensada (  ), siendo pues prácticamente igual a (  ).

Con esta aproximación se establece que:

dPdT

= ΔH vaporizaciono sublimacionTVgas

A esta ecuación es a la que se le llama de Clausius – Clapeyron, pero si

además se supone comportamiento de gas ideal, entonces:

Vgas=RTP

Al sustituir V , conduce a:  , la cual puede ser modificada a la

forma de una ecuación diferencial que es la de empleo más difundido de la

ecuación de Clausius – Clapeyron:

d ¿¿

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32

d ¿¿

La cual da por integración:

d ¿¿

Consideraciones sobre la ecuación de Clapeyron:

En un cambio de fase líquido-vapor, tanto H como V son positivos, por tantoΔ Δ

la pendiente de la línea de equilibrio líquido-vapor es positiva. Lo mismo

sucede con la línea sólido-vapor.

En un cambio de fase sólido-líquido, H es positivo y en general V también,Δ Δ

por lo tanto la pendiente de esta línea también será positiva. Existen sin

embargo algunas excepciones como el H2O, Ga o Bi debido a una disminución

de volumen que sufren estos componentes al fundirse, en estos casos la

pendiente de la línea de equilibrio sólido-líquido será negativa.

En el cambio de fase sólido-líquido V es mucho menor que en los cambios deΔ

fase sólido-gas o líquido-gas. Por esta razón la pendiente en el primer caso es

mucho mayor que en los últimos.

d ¿¿

Ecuación de Clausius Clapeyron

3. DIAGRAMA DE FASES BINARIAS

Muchas combinaciones de dos elementos producen diagramas de fases más

complicados que los sistemas isomorfos. Estos sistemas contienen reacciones que

implican tres fases independientes. En la figura aparecen definidos cinco de ellos.

Cada una de las reacciones puede ser identificada en un diagrama de fases complejo

mediante el procedimiento siguiente:

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33

Localice una línea horizontal en el diagrama de fases. La línea horizontal

que indica la presencia de una reacción de tres fases representa la

temperatura a la cual ocurre la reacción en condiciones de equilibrio.

Localice tres puntos distintos en la línea horizontal: los dos extremos,

más un tercer punto, a menudo cerca del centro de la línea horizontal. El

punto central representa la composición a la cual ocurre la reacción de

tres fases.

Busque directamente por encima del punto central e identifique la fase

o fases presentes; busque inmediatamente por debajo del punto central

e identifique la fase o fases presentes. A continuación escriba, en forma

de reacción, la fase o fases por encima del punto central que se

transforman en la fase o fases por debajo del punto. Compare esta

reacción con las de la figura para identificarla.

Las reacciones eutécticas, peritectica y monotéctica forman parte del proceso de

solidificación. Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldadura a menudo

aprovechan el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de

las aleaciones monotécticas tiene un domo o zona de miscibilidad, en donde coexisten

dos fases líquidas. En el sistema cobre-plomo, la reacción monotéctica produce

minúsculos glóbulos de plomo disperso, que mejoran la capacidad de maquinado de la

aleación de cobre. Las reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de

equilibrio y a la segregación.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones exclusivas al estado sólido. La

reacción eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de

aleaciones, incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta,

produciendo en las aleaciones estructuras fuera de equilibrio no deseables.

Al existir dos componentes en el sistema en consideración la regla de las fases queda:

F + P = 4 Luego, para representar gráficamente el campo de estabilidad de una región

homogénea (monofásica) se requieren 3 variables, lo que hace necesario el sistema en

un diagrama tridimensional. Por lo tanto,

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34

1 fase: bivariante (F=2)

2 fases: univariante (F=1)

3 fases: invariante (F=0)

Por conveniencia se suelen mantener P o T constantes y se representa gráficamente

un sistema de fases bidimensionales, que es un corte transversal de la representación

tridimensional.

Fig. 19 diagrama de fase binario

a. Tipos

i. Solubilidad Total En Fase Sólida Y Liquida (Aleación Isomorfa)

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para

cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.

Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede

elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de

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35

fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En

los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos

componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.

   Fig. 20 cambio de la composición a medida que cambia la

temperatura

La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidos. Se

debe calentar una aleación por encima de líquidos para producir una

aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un

producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la

temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidos. 

La temperatura de sólidos es la curva inferior. Una aleación de este

tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por

debajo de la temperatura de sólidos. Si se utiliza una aleación cobre-

níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura

durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de

sólidos, de manera que no ocurra fusión.

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36

Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de

temperatura, entre el líquido y el sólido. La diferencia de temperatura

entre líquidos y sólidos se denomina rango de solidificación de la

aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una

sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos

involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante

una letra minúscula griega, como ahpla.

A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa

saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por

fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté

líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un

componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme

líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de

carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y

composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes.

Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de

cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se

expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la

aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación. Si la

composición original de la aleación se modifica, entonces también

deberá modificarse la de la fase.

Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus

composiciones diferirán entre sí como de la composición general

original, Si ésta cambia ligeramente, la composición de las dos fases no

se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.

1. Ejemplo Aleación Cu-Ni

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37

Fig. 20 Aleación isomorfa

ii. Separación De Fase:

Existen muchos procesos en la naturaleza caracterizados por

fenómenos de separación de fases. Por ejemplo,

en muchos procesos industriales relacionados con la

producción de aleaciones metálicas;

en mezclas binarias y soluciones;

en mezclas de polímeros.

En todos estos ejemplos es necesario entender en qué condiciones los

componentes metálicos forman un sólido homogéneo y en qué otras

condiciones se separan en fases de distinta composición.

La separación de fases tiene lugar cuando un sistema homogéneo se

encuentra en unas condiciones termodinámicas inestables, en las que

el sistema, en equilibrio, sólo puede estar en forma de dos fases

separadas por una interface. Los procesos que dan lugar al estado in

homogéneo final a partir del estado homogéneo inicial son lo que se

conoce como separación de fases. En ella se distinguen dos etapas: en

Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.

38

la primera se forma una estructura inicial, micro dominios de las dos

fases, que luego crecen mediante diversos procesos en una segunda

etapa. Estos procesos son más o menos comunes, pero lo que ocurre

en la primera etapa depende de las condiciones termodinámicas

iniciales.

 Si el sistema se encuentra en la región inestable del diagrama

de fases, se forma una estructura finamente dispersa por todo

el sistema. Es lo que se conoce como descomposición

espinodal. 

Si el sistema se encuentra en la región estable, se forman

concentraciones localizadas de la fase minoritaria, los llamados

núcleos críticos, que han de superar una determinada barrera

de nucleación. Es lo que se denomina nucleación.

Fig. 21 nucleación

1. Ejemplo Cr-W

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39

Fig. 22 separaciones de fases

iii. Sistema Eutéctico Con Solubilidad Parcial

En la Unidad anterior se analizó el endurecimiento por aleación con

solubilidad completa en estado sólido, en condiciones de enfriamiento

reversible e irreversible, y aquellas aleaciones que mostraban

transformación eutéctica. Cuando las aleaciones muestran una

limitación en su solubilidad en estado sólido, podemos encontrarnos

con dos tipos de transformaciones, como resultado de la saturación

del soluto o de transformaciones alotrópicas en el metal o la aleación,

lo que lleva a la transformación eutectoide.

a) Las aleaciones correspondientes al primer tipo,

corresponden a aquellas en las que sucede una solubilidad variable

con la temperatura, total a altas temperaturas y limitada a bajas

temperaturas. Esto permite la precipitación de segundas fases en

Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.

40

estado sólido, tras aplicaciones de enfriamiento irreversible, lo que

permite el endurecimiento por envejecimiento.

b) Las aleaciones correspondientes al segundo tipo

presentan transformación eutectoide; que describe el cambio de

estructura cristalina a velocidades de enfriamiento calificadas de

reversibles termodinámicamente.

El objetivo es, por tanto, analizar los endurecimientos en cada una de

las transformaciones indicadas en este tipo de aleaciones y sus

tratamientos asociados, lo que nos llevará a:

Definir los procesos que justifican cada una de las

transformaciones.

Determinar sus variables de control e influencia sobre el

proceso.

Correlacionarlas con las características resistentes.

Justificar las aplicaciones más específicas.

1. Ejemplo Ag-Cu

Fig. 23 sistema eutéctico

Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.

41

iv. Diagrama De Fases Con Compuestos Intermedios

Primero se describe qué es un compuesto. La mayoría de los

compuestos químicos son combinaciones de elementos con valencia

positiva y negativa. Las diversas clases de átomos se combinan en una

proporción definida, expresada mediante una fórmula química.

Ejemplos típicos son el agua (H2O) y la sal de mesa (NaCl). Los átomos

combinados para formar la molécula se mantienen juntos por medio de

un enlace definido. El enlace suele ser fuerte y los átomos no se pueden

separar fácilmente. Cuando se forma un compuesto, los elementos

pierden en gran medida su identidad individual y sus propiedades

características. Por ejemplo, el sodio es un metal muy activo que se

oxida rápidamente, razón por la cual se lo almacena en kerosene. El

cloro es un gas venenoso. Sin embargo, un átomo de cada uno de ellos se

combina para formar un compuesto inofensivo, la sal común de mesa.

Particularmente en las aleaciones, los compuestos químicos pueden ser

estequiométricos o no. Si son estequiométricos, tienen una fórmula

química definida. O bien, puede ocurrir un grado determinado de

sustitución atómica que da lugar a desviaciones con respecto a la

estequiometria. En un diagrama de fases, los compuestos que aparecen

como una sola línea vertical son los compuestos estequiométricos. Los

compuestos que aparecen como un intervalo de composición son los no

estequiométrico. Los compuestos poseen, en su mayoría, una mezcla de

enlaces metálicos-iónicos o metálicos-covalentes. El porcentaje de

enlaces iónicos o covalentes depende de la diferencia en

electronegatividades de los elementos participantes.

Los compuestos más comunes que se encuentran en las aleaciones son:

Compuestos intermetálicos: Se forman por metales no similares

químicamente y se combinan siguiendo las reglas de valencia química.

Suelen tener un enlace fuerte (iónico o covalente) y sus propiedades son

Ing. Metalúrgica U.N.J.F.S.C.

42

esencialmente no metálicas. Por lo general no son dúctiles y tienen baja

conductividad eléctrica. Pueden tener estructuras cristalinas complejas.

Compuestos intersticiales: Se forman por la unión entre elementos de

transición (Ti, Ta, W, Fe) con elementos intersticiales (C, H, O, N, B).

Éstos últimos son llaman intersticiales por su pequeño tamaño,

comparado con los intersticios de las estructuras cristalinas de los

elementos de transición. Adicionalmente al compuesto intersticial, estos

átomos pequeños forman soluciones sólidas intersticiales con cada uno

de estos elementos de transición. Los compuestos intersticiales pueden

tener intervalos de composición muy reducidos, altos puntos de fusión y

son extremadamente duros.

El carburo de hierro (Fe3C) es un compuesto extensamente estudiado en

los aceros, recibiendo el nombre de cementita. Si bien cae claramente en

la clasificación de “compuesto intersticial”, es muy frecuentemente

llamado “compuesto intermetálicos”, a pesar de que el carbono es un

intersticial y además no metálico. En estos casos, el término “compuesto

intermetálicos” es un término general que hace referencia a todos los

tipos de compuestos encontrados en aleaciones. Teniendo lo anterior en

cuenta, se puede definir en forma general a un compuesto

intermetálicos como un compuesto formado por dos metales (o un

metal y un no metal) que tiene una fórmula química definida. Esto

significa que producen una nueva fase con composición, estructura

cristalina, y propiedades propias. En el diagrama de fases aparece como

una fase intermedia que existe en un intervalo de composiciones muy

estrecho (casi una línea vertical).

1. Ejemplo Mg-Pb

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43

Fig. 24 compuestos intermedios

v. Puntos Singulares

1. Reacciones Invariables

Las reacciones eutécticas, peritectica y monotéctica forman

parte del proceso de solidificación. Las aleaciones que se utilizan

para fundición o soldadura a menudo aprovechan el bajo punto

de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de las

aleaciones monotéctica tiene un domo o zona de miscibilidad, en

donde coexisten dos fases líquidas. En el sistema cobre-plomo, la

reacción monotéctica produce minúsculos glóbulos de plomo

disperso, que mejoran la capacidad de maquinado de la aleación

de cobre. Las reacciones peritectica conducen a la solidificación

fuera de equilibrio y a la segregación.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son reacciones

exclusivas al estado sólido. La reacción eutectoide forma la base

del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones,

incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente

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44

lenta, produciendo en las aleaciones estructuras fuera de

equilibrio no deseables.

a. Reacción Eutéctica

Para analizar el diagrama de fase eutéctico usaremos el

sistema plomo-estaño, El cual contiene solamente una

reacción eutéctica simple (figura). Este sistema de

aleación es la base de las aleaciones más comunes para

soldadura. Se puede apreciar en el gráfico que la

temperatura de fusión de la composición eutéctica es

menor que la temperatura de fusión de cada uno de los

materiales componentes. 

FIG. 25 Diagrama de fases en equilibrio plomo-estaño.

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45

b. Reacción Eutectoide

Transformación de fases en que una fase sólida se

transforma, por enfriamiento, en dos fases sólidas, es

decir, todas las fases involucradas en la reacción son

sólidas. Se produce por difusión en estado sólido.

S1 --> S2 + S3

Como ejemplo de la forma en que se puede utilizar la

reacción eutectoide para controlar la microestructura y

las propiedades de una aleación, examínese el diagrama

de fases Fe-Fe3C (figura) que forma la base de los aceros

y de los hierros fundidos. Deberán notarse las siguientes

características.

FIg. 26 Diagrama de fases Fe- Fe3C. La línea vertical a 6.67% C es el compuesto estequiométrico Fe3C.

c. Reacción Peritectica

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46

Esta reacción se presenta particularmente si los puntos de

fusión de los dos componentes son completamente

diferentes.

Reacción peritectica: Transformación de fases en que, por

enfriamiento, una fase líquida reacciona con una fase

sólida para formar una fase sólida nueva y diferente.

Fig. 27 Un diagrama de equilibrio peritectica generalizado

4. INTERPRETACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASES

Nomenclatura Letras griegas minúsculas (a, ß, , etc.)γ : cada una de ellas representa

una solución sólida.

Liquidas: Línea que separa los campos de fases L y (L+a). Por encima de la línea

liquidas, se tiene fase líquida a todas temperaturas y composiciones.

Solidas: Línea que separa los campos de fases a y (L+a). Por debajo de la línea

sólidas, se tiene fase sólida (a) a todas temperaturas y composiciones.

Determinación de las fases presentes

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47

a) Localizar en el diagrama el punto definido por la temperatura y composición

de la aleación.

b) Identificar las fases presentes en el campo de fases correspondiente.

Determinación de las composiciones de cada una de las fases

a) Localizar en el diagrama el punto definido por la temperatura y composición de la

aleación.

Para regiones monofásicas: la composición de la fase coincide con la

composición global de la aleación.

Para regiones bifásicas, proceder con el punto b)

b) En el punto de interés (definido por la T y la composición) trazar una isoterma,

extendiéndose a través de la región bifásica y terminando en las líneas de límites de

fases a cada lado.

c) Observar las intersecciones de la isoterma con los límites de fases a cada lado.

d) Trazar líneas perpendiculares a la isoterma a partir de las intersecciones hasta el

eje horizontal de composiciones.

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48

e) Leer las composiciones de cada fase según cuál es el límite de la región que

intercepta la isoterma.

a. Zona Bifásica: Proporción De Cada Fase

b. La Ley De La Palanca

Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca

sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la

aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la

fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para

obtener la cantidad de dicha fase. 

En general la regla de la palanca se puede escribir de esta forma:

porcentaje de fase= brazo opuestolongitud totalde isoterma

∗100

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un

diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la

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49

regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha

fase presente). Pasos para calcular las composiciones:

Dibujar la isoterma.

Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada.

 

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50

Dividir el largo del opuesto por la isoterma:

d) El resultado se multiplica por 100.

5. CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE FASE

Los diagramas de equilibrio para componentes que son completamente solubles entre

sí en estado sólido se construyen después de realizar una serie de curvas de

enfriamiento para distintas composiciones de la aleación. Tomaremos como ejemplo

el sistema Cu-Ni, y el proceso se muestra en la figura 28.

Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran un valor fijo de temperatura

de fusión: cuando se enfría un metal puro y pasa del estado líquido al sólido, la

temperatura se mantiene constante mientras dura la solidificación (ver línea AB para

el Cu puro y CD para el Ni puro de la figura 28a). Una vez solidificado el metal la

temperatura continuará bajando, si nada se lo impide, hasta llegar a temperatura

ambiente.

La temperatura de fusión de una aleación binaria, en cambio, no es fija: depende de las

proporciones de cada componente, y no tienen un único valor sino que se representa

mediante un intervalo. En la figura 28a, L1, L2, L3 y S1, S2, S3 representan el principio

y el final respectivamente de la solidificación de una aleación de proporciones 80%Cu-

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51

20%Ni; %50%Cu-50%Ni y 20%Cu-80%Ni. Todas las composiciones de aleaciones

intermedias muestran curvas de enfriamiento similar. Cuántas más curvas de

enfriamiento intermedias se calculen mayor exactitud tendrá el diagrama de fases que

se construya.

El sentido del diagrama de fases se obtiene al dibujar una línea que relacione todos los

puntos que corresponden al principio de la solidificación (L1, L2, L3 …) y otra que una

todos los puntos en los que se produce el final de la solidificación (S1, S2, S3 …). El

diagrama de fases real se determina representando gráficamente la temperatura

frente a la composición. Los puntos a representar se toman de la serie de curvas de

enfriamiento y se llevan al nuevo diagrama, que resulta tal como se presenta en la

figura 28b.

Fig. 28

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52

6. RELACIÓN ENTRE DIAGRAMAS DE FASE Y MICROESTRUCTURAS

Relación entre diagramas de fase-microestructura – Ejemplos de microestructuras de

enfriamiento lento (“equilibrio”) típicas – Hipótesis: La velocidad de enfriamiento es

tan lenta que el equilibrio se alcanza en cada instante del proceso.

Vamos a ver ejemplos de microestructuras de enfriamiento lento (“equilibrio”) típicas

(a) Solubilidad total en fases sólido y líquido (Sistema Cu-Ni)

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(b) Sistema eutéctico: Pb-Sn.

(b) Sistema eutéctico: Pb-Sn. Aleación de composición C4

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7. EL DIAGRAMA DE FASES FE-C (ACEROS)

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue

establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La

elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968

los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este

diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran

aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están

expuestos en las obras de I. Kornilov. Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo

de aleaciones que forman una composición química.

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado

ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama

comprende dos sistemas:

1. Fe-Fe3C (metalestable); este sistema está representado en el diagrama con

líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las

aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);

2. Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema

expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y

atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre

(grafito).

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas

se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas

(Fe-Fe3C y Fe-C).

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida

por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. En la figura

# 01 muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro – carbono. Esta la

parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro,Fe3C , que

contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de

equilibrio hierro – carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio,

pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un

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hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono

(grafito).

Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto

importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases

sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del

estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide:

calor

En donde yson fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.

La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es

necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutécticas y las

eutectoide, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar

capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro

que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los

metales.

Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo

de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que

pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro , hierro y

cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la figura

# 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo,

dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro

(Fe3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este

último elemento. Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad

de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por

ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una

estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono.

El otro componente del diagrama, el hierro, existe e dos alótropos sólidos o formas

definidas de cristal. El hierro alfa, que es el alótropo a la temperatura ambiente, tiene

una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de

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ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una

estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y

ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una

comparación verdadera. El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se

encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos yα

se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas deλ

carbono en el hierro. Es conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma

contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por

ciento de carbono. La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra

tanto en el acero como en el hierro colado.

Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente

enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe

una correlación entre las propiedades y la microestructura.

Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una

temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF

(1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento

de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de

sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La

austenita sólida tiene la misma composición del líquido del que se formó, y contiene

0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos

equiaxiales de austenita, como se demuestra en la figura #03 (b) (4). A unos 1500 ºF

(816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita.

A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los

antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo

condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los

granos de aquellas que están presentes. En este ejemplo a la nueva fase se le llama

proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la

estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en

aceros hipereutectoides, la cementita es proeutctoide.) conforme la temperatura se

acera a 1333 ºF (724 ºC), aumenta la cantida de ferrita y su composiciónvaría hacia el

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0.03 por ciento de carbono. Al mismo tiempo, la cantidad de austenita se reduce y su

composcición se acerca al 0.8 por ciento de carbono. A 1400 ºf(760 ºC), la austenita

tiene una composición de de 0.6 por ciento de carbono y la ferrita 0.02 por ciento de

carbono. De acuerdo con el principio de la palanca, el porcentaje de austenita es

(0.28/0.58)*100=48% , y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% . A 1334

ºF (725 ºC), la estructura se compone del 36 por ciento de que contiene 0.8 por

ciento de carbono y 64 por ciento de que, a su vez, contiene 0.03 por ciento de

carbono. A 1333 ºF (724 ºC), la austenita restante experimenta una transformación en

la estructura eutectoide conocida con el nombre de perlita. La perlita se froma

siempre a partir de la austenita a 1333 ºF (724 ºC) en condiciones de equilibrio.

Puesto que a sta temperatura la austenita contiene invariablemente 0.8 por ciento de

carbono, la perlita en la que se transforma contiene siempre 0.8 por ciento de

carbono. La perlita se compone de 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.

La composición de la perlita puede determinarse mediante el uso de a regla de la

palanca, utilizando 0.8 por ciento de carbono como la ubicación del punto de apoyo,

0.02 por ciento de carbono como la composición de y 6.7 por ciento de carbono como

la composición de la cementita. Así pues, a temperaturas inferiores a 1333 ºF (724ºC),

la estructura final correspondiente a una composición total de 0.3 por ciento de

carbono consiste en una fase grande (64 por ciento) y continua, y una cantidad más

pequeña (36 por ciento) de perlita. La cantidad de perlita es la misma que la de

austenita de la que se formó: esto es, , que existía a temperaturas levemente

superiores a 1333 ºF (724ºC). Está presente en la aleación que estamos estudiando,

como islas de perlita aisladas en un mar de ferrita. Estas islas se denominan con

frecuencia colonias de perlita y el mar, matriz. La microestructura que existe

inmediatamente después de la transformación de la austenita en perlita, se mantiene

básicamente invariable al efriarse a la temperatura ambiente.

Cuando la composición total es del 0.8 por ciento de carbono, la solidificación se

inicia alrededor de los 2700 ºF (1485 ºC) y concluye aproximadamente 2500 ºF (1370

ºC). A una temperatura muy levemente superior a 1333 ºF (724 ºC), la estructura

consiste en cristales homogéneos de austenita que contienen 0.8 por ciento de

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carbono. A exactamente 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en una

estructura totalmente perlítica cuya composición y forma es la anteriormente

descrita. En condiciones que se acercan al equilibrio, la transformación de austenita

en perlita se produce a una temperatura constante. Para esta composición en

particular (0.8 por ciento de carbono), no existe una fase continua masiva

correspondiente la ferrita de aleación de 0.3 por ciento de carbono. Es este caso,

como en los de enfriamiento equilibrado, la perlita consta de 88 porciento de alfa y 12

por ciento de cementita y contiene 0.8 por ciento de carbono.

Al enfriar acero derretido que contiene 1.1 por ciento de carbono, la solidificación se

inicia a aproximadamente 2675 ºF (1470 ºC). A 1500 ºF (816 ºC), la austenita

homogénea comienza a precipitar cementita en los límites de los granos. La formación

de la nueva fase sigue el mismo patrón que la precipitación de la ferrita en la

austenita: la mayor parte de la formación de núcleos se registra alrededor de los

límites de los granos. Es así como se forma la red de cementita que rodea los límites

de grano, conforme sale de la solución una cantidad cada vez mayor de cementita. A

una tempertatura de 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone de un 95 por ciento

de y 5 por ciento de Fe3C. Estos porcentajes se determinan mediante la aplicación de

la regla de la palanca:

Cantidad de :

= [ (6.7-1.1) / 6.7-0.8) ] * 100 = 95 por ciento

La cantidad de Fe3C es:

Fe3C = [ (1.1 – 0.8) / (6.7 – 0.8)] * 100 = 5 por ciento

Al descender la temperatura por debajo de 1333 ºF (724 ºC), la austenita se

transforma en perlita como siempre lo hace a esta temperatura. La red de cementita

no se ve afectada por la disminución de temperatura; por lo tanto, la estructura final

se compone del 95 por ciento de perlita rodeada de una red delgada de cementita.

Puesto que la perlita que se forma lentamente tiene siempre la misma composición y

estructura, debe contener 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.

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Veamos el enfriamiento de una aleación derretida de hierro y carbono que contiene

2.5 por ciento de carbono. En esta aleación los núcleos de austenita comienzan a

formarse a aproximadamente 2425 ºF (1330 ºC), como puede observarse en la figura

# 03. Conforme se desarrolla el enfriamiento, aumenta la cantidad de sólidos hasta

que, ligeramente por encima de 2066 ºF (1130ºC), la masa consta de 78 por ciento de

gamma y 22 por ciento de líquido. Este contiene 4.3 por ciento de carbono y se conoce

como la composición eutética. Al disminuir la temperatura por debajo de 2066 ºF

(1130 ºC), la red líquida se solidifica para formar el sólido eutético, ledeburita. Para

esta y otras aleaciones similares, el sólido eutético se compone de núcleos de

austenita rodeados por una matriz de cementita como se muestra en la figura #02 (b)

y en el bosquejo de la figura # 03. Conforme avanza el enfriamiento, la austenita

precipita a la cementita, tanto en la fase primaria, como en la eutética. Esto puede

determinarse a partir del diagrama de hierro y carburo de hierro, que muestra que

aunque la austenita puede disolver 2.0 por ciento de carbono a 2066 ºF (1130 ºC),

solo se puede disolver 0.8 por ciento de carbono a 1333 ºF (724 ºC). A 1333 ºF (724

ºC), la austenita se transforma en perlita. Así pues, la estructura final se compone de

grandes colonias de perlita (de cristales primarios de austenita) además de pequeñas

colonias de perlita (de austenita eutética), en una matriz de cementita eutética. Las

pequeñas colonias de perlita y la cementita que la rodea, producen la estructura

eutética que se conoce como ledeburita. La aleación que acabamos de describir tiene

una estructura típica del hierro colado blanco.

No se analiza la estructura de las aleaciones hipereutéticas, debido a que no se

encuentran normalmente en la práctica.

Correlación de las propiedades y la estructura de las aleaciones de hierro y

carbono enfriadas lentamente. El examen de la figura # 03 muestra que las

propiedades mecánicas de las aleaciones de hierro y carbono varían ligeramente y

continuamente con los cambios en el contenido de carbono. De hecho, tanto la

estructura, como las propiedades dependen de dicho contenido de carbono. Al

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aumentar el contenido de este último, disminuye la cantidad de ferrita libre, hasta

llegar al 0.8 por ciento de carbono no queda nada de este compuesto y la estructura se

compone solo de eutectoide. Mas allá del 0.8 por ciento de carbono, la fase continua es

de cementita dura y quebradiza. Cuando la composición es tal, que la fase continua es

blanda y dúctil, la aleación tiende también a serlo; por otra parte, una fase continua

dura y quebradiza dará como resultado una aleación de las mismas características.

Además, tanto la cantidad, como la calidad de la fase continua, ejercen un efecto sobre

las propiedades. Si aumenta la cantidad de ferrita blanda y dúctil, las aleaciones se

hacen más blandas y dúctiles. Estas correlaciones entre las propiedades y la

microestructura han producido una generalización importante aplicable a las

aleaciones heterogéneas: las propiedades de una aleación heterogénea tienden a ser

regidas por las propiedades y la cantidad de la fase continua. Las propiedades reciben

también la influencia de la distribución de las fases (tanto continuas como

discontinuas).

Solidificación de aceros

En su forma más simple, los aceros son aleaciones del hierro (FE) y del carbón (C). el

diagrama de fase de Fe-C se muestra abajo, hasta alrededor del carbón 7%. Esto es

un diagrama de fase bastante complejo pero, como estamos solamente interesados en

los aceros parte del diagrama que podemos hacer algunas simplificaciones.

Los aceros han sido tan importantes para los ingenieros por tan muchos años que

cada fase ha heredado un nombre así como una carta griega.

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La fase gamma se llama austenite. Austenite es una fase de alta temperatura y tiene

una estructura cúbica centrada cara (FCC) [que sea una estructura pila de discos

cercana].

La fase de la alfa se llama ferrita. La ferrita es un componente común en aceros y tiene

una estructura cúbica centrada cuerpo (BCC) [ que pila de discos menos denso que la

FCC ].

El FE3C se llama cementite y pasado (para nosotros), el " eutéctico como " la mezcla de

alpha+cementite se llama pearlite.

El problema se puede simplificar por las estadísticas para las dos puntas siguientes:

Estamos considerando los aceros, y por lo tanto necesitamos solamente mirar

el diagrama de fase de Fe-C hasta alrededor de 1.4%C

Podemos no hacer caso de cambios muy de alta temperatura de la fase pues

éstos no afectarán la aleación final - mirando el diagrama de fase, todas las

aleaciones hasta 1.4%C deben refrescarse con la fase gamma (del austenite).

Consideraremos tan las aleaciones abajo alrededor de 1000C

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CAPITULO IV

CINÉTICA: NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE FASES

1. DIFUSIÓN

Los átomos se mueven en un cristal realizando saltos sucesivos desde una posición a

la siguiente. Si los átomos son suficientemente pequeños, pueden ocupar posiciones

intersticiales. En caso contrario, los átomos difunden ocupando posiciones

substitucionales y sólo pueden difundir si existen vacantes en el material.

Fig. 29 difusión

Si existe un gradiente de concentraciones en el sólido, se producirá un flujo neto de

soluto a través del sólido. Este flujo viene dado por la relación fenomenológica

llamada 1ª ley de Fick, que para una dimensión viene dada por:

Estado estacionario:

Dónde:

J es el flujo atómico por unidad de área y unidad de tiempo

N es la concentración de soluto

D es el coeficiente de difusión

X es una distancia

a. Primera Ley De Fick

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La Ley de Difusión de Fick toma en cuenta ciertos criterios para determinar

cómo de fácil es que difunda una sustancia dada dependiendo de las siguientes

características: - Magnitud de gradiente. - Área de superficie - Liposolubilidad

de la sustancia (cuanto más liposoluble, más rápido difunde). - Peso molecular

(cuanto menos pese, más rápido difunde). - Distancia de difusión.

En el caso de existir diferencias de concentración de cualquier especie

(concentración de sustancia o temperatura), el paseo aleatorio de las

moléculas se llevará a cabo desde las regiones con mayor concentración hacia

las regiones de menor concentración. El flujo de sustancia irá en el sentido

opuesto del gradiente de concentración y, si éste es débil, podrá aproximarse

por el primer término de la serie de Taylor, resultando la ley de Fick:

J=−D∇c

Siendo   el coeficiente de difusión de la especie de concentración c . En el caso

particular del calor, la ley de Fick se conoce como ley de Fourier y se escribe

como:

q=−k∇T

Siendo   la conductividad térmica.

Tomando la ley de conservación integral para la especie c, y aplicándole a esta

última el teorema de Stokes se tiene:

∂∂T

∫v

❑

cdV=−¿∫∂v

❑

j . dS❑⇒ ∂c∂ t

+∇ . j=0¿

b. Segunda Ley De Fick

Combinando el resultado anterior con la ley de Fick resulta la ecuación de difusión o segunda ley de Fick:

∂c∂ t

−D ∇2 c=∂c∂ t

−D ( ∂2 c∂x2+ ∂

2 c∂ y2

+ ∂2 c∂ z2 )=0

2. INTERCARAS

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Toda intercara entre dos fases (por ej: S-G, S-L, S-S) tiene una energía superficial γ

porque los átomos que se encuentran en esa intercara no están en posiciones de

equilibrio mínimo, ya que no tienen todos sus enlaces satisfechos.

Fig. 30 intercaras

La energía superficial [J/m2] equivale a una tensión superficial:

F= [N/m]γ

En el caso de un sólido, la energía superficial dependerá del plano cristalográfico (de

ahí, la forma de los mono cristales que muestran planos de baja energía superficial).

a. INTERCARAS EN FASE SOLIDA

Considerar una intercara entre dos fases sólidas a y ß, la intercara puede ser de

varios tipos:

i. Coherente: Existe un “registro” perfecto entre las dos estructuras

cristalinas.

ii. Incoherente: No existe “registro” entre ambas estructuras.

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3. FUERZA IMPULSORA DE TRANSFORMACIÓN (CAMBIO DE ENERGIA DE GIBBS)

Consideremos una transformación de fase L a S de la misma composición. La fuerza

impulsora será el cambio de energía de Gibbs ΔG L→S que se produce en la

transformación:

Si asumimos que ΔH L→S y ΔS L→S son independendientes de la T (esta

aproximación asume que las dos fases tienen la misma C p (capacidad calorífica a P

cte., y es una buena aproximación para fases condensadas (sólidos y líquidos):

Por lo tanto, la fuerza impulsora para la transformación es proporcional a la

desviación de la T con respecto a la temperatura de equilibrio Te.

4. NUCLEACIÓN DE UNA NUEVA FASE

a. Nucleación Homogénea: Toda transformación conlleva un proceso de

nucleación y un proceso de crecimiento de esos núcleos hasta que el material

se ha transformado totalmente.

La nucleación homogénea ocurre en una fase uniforme que no tiene

heterogeneidades donde la nucleación pueda ocurrir preferentemente.

Supongamos, por simplicidad, la solidificación de un líquido y la nucleación de

un núcleo esférico del sólido en el líquido.

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El cambio de energía de Gibbs en la transformación de la antigua a la nueva

fase se puede expresar como ΔGv (por unidad de volumen), es decir, la fuerza

impulsora de la transformación por unidad de volumen:

Sin embargo, la aparición de un núcleo conlleva la aparición de una nueva

intercara entre las dos fases tiene una energía por unidad de superficie , queγ

representa un incremento de energía del sistema.

Por lo tanto, el trabajo realizado para formar un núcleo vendrá dado por:

Por lo tanto, calculando el máximo de la curva obtenemos:

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Así, a medida que T→Te, ΔGv → 0 , r* → 8 y W*→ 8 , con lo que la nucleación

de la nueva fase es imposible.

b. Nucleación Heterogénea:

La nucleación puede sufrir un efecto catalizador por la presencia de

heterogeneidades (partículas, fronteras de grano, etc…o las paredes de un

molde en el caso de un líquido) en la fase original de partida. Supongamos que

durante la solidificación de un líquido se forma un núcleo sólido en forma de

casquete esférico, de radio r, sobre la pared de un molde. El ángulo de contacto,

, se puede determinar planteando el balance de las tensiones superficialesθ

(equivalentes a la energía superficial):

Entonces, el trabajo necesario para la formación del núcleo vendrá dado por:

5. CRECIMIENTO

Una vez que se ha producido la nucleación, la nueva fase tiene que crecer hasta

que la fase antigua desaparezca

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Este crecimiento se produce mediante el intercambio (difusión) de átomos a

través de la intercara entre las dos fases

Como en todo proceso activado térmicamente, existe una energía de activación.

Esta energía es asimétrica cuando existe una fuerza impulsora para la

transformación.

La velocidad de crecimiento muestra un máximo en función de la temperatura,

pero a diferencia de la nucleación homogénea, la velocidad de crecimiento

puede ser relativamente grande, incluso para pequeñas desviaciones del

equilibrio.

En cambio a temperaturas bajas, el crecimiento es muy lento porque la

movilidad, y por lo tanto, la difusión de los átomos es difícil.

6. TRANSFORMACIÓN

Una transformación de fase requiere de nucleación y crecimiento. La velocidad

de transformación, por tanto, dependerá de la velocidad de ambas.

Se suele describir como el tiempo necesario t(y) para transformar una fracción

y de la muestra a una temperatura determinada. Un diagrama de

transformación isotermo, del tipo de la figura, muestra t(y) en función de la

temperatura (el tiempo se suele representar en escala logarítmica).

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Estos diagramas también reciben el nombre de curvas TTT (Tiempo

Temperatura-Transformación). La velocidad de transformación está

limitada por una nucleación lenta a altas temperaturas y un crecimiento lento a

baja temperatura.

Curva TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación):

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CAPITULO V

TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS ALEACIONES METÁLICAS

1. IMPORTANCIA

Los tratamientos térmicos pueden utilizarse para homogeneizar el fundido de las aleaciones metálicas, para mejorar su ductilidad en caliente, para ablandar los metales antes o durante su procesamiento en frío o en caliente, o para modificar su microestructura con el fin de obtener las propiedades mecánicas deseadas.

También se utiliza el tratamiento térmico de aleaciones metálicas para modificar la estructura química superficial de los materiales. Este objetivo se logra mediante la difusión de carbono, nitrógeno y otros materiales sólidos o gaseosos en la superficie del componente. Estos procesos se utilizan para obtener superficies con una dureza determinada y para mejorar su resistencia al desgaste, la corrosión y la fatiga.

Los parámetros y procesos que afectan la composición y propiedades materiales de los componentes metálicos incluyen los siguientes:

Tipo de aleación - Calentamiento - Enfriamiento - Trabajo - Tiempo - Atmósfera - Recubrimiento superficial - Difusión superficial

Para garantizar que cualquier componente metálico sea apto y adecuado para el fin señalado, puede ser necesario exponerlo a una serie de tratamientos de acondicionamiento y acabado. Los tratamientos se realizan de forma que garanticen que se controla minuciosamente la combinación requerida de estos parámetros para obtener el componente acabado que se desea.

El tratamiento térmico de los metales supone elevar la temperatura de una aleación, a menudo siguiendo un perfil térmico predeterminado, hasta una temperatura definida. Después, el material se mantiene a esta temperatura durante un periodo de tiempo antes de enfriarse de modo controlado o mediante un proceso de templado a una temperatura fija.

Los tratamientos se llevan a cabo en hornos e incineradoras donde, además de los cambios de temperatura, se utilizan gases para controlar la atmósfera del proceso. Se emplean atmósferas controladas para reducir los efectos de la oxidación o atmósferas enriquecidas para incrementar los efectos químicos superficiales en los componentes sometidos a tratamiento.

Tratamientos generales

Homogeneización Este tratamiento se utiliza antes de los procesos en caliente y se aplica para igualar la temperatura en toda la aleación o para reducir el efecto de segregación provocado por la composición química desigual.

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Recocido  El recocido abarca una variedad de procesos de tratamiento térmico utilizados para ablandar las aleaciones e incrementar su ductilidad como ayuda al proceso en frío.

Estabilización y normalización Tratamientos térmicos realizados para eliminar las tensiones internas de los componentes después de la soldadura, el fundido o el enfriamiento rápido.

2. TRATAMIENTO TÉRMICO DE PRECIPITACIÓN

Disolución y precipitación

Lo que se pretende es controlar la distribución de precipitados mediante:

– Un tratamiento térmico de disolución a T0 , para que todo el elemento B esté

en solución sólida en la fase .α

– Un temple para obtener una solución sólida supe saturada

– Un tratamiento térmico de precipitación (a T<200 ºC), para formar los

precipitados.

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3. RECOCIDO

El recocido es un tratamiento térmico cuya finalidad es el ablandamiento, la

recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en

metales. Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de

las propiedades físicas del mismo. El recocido consiste en calentar el metal hasta una

determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente,

habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su

temperatura disminuya de forma progresiva, para después dese formar. El proceso

finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de

varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes

deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir.

Objetivos

Los objetivos del recocido son tanto eliminar las tensiones internas producidas

por tratamientos anteriores (como el templado) como aumentar la plasticidad,

la ductilidad y la tenacidad del material. Con el recocido de los aceros también

se pretende ablandar las piezas para facilitar su mecanizado o para conseguir

ciertas especificaciones mecánicas. A su vez, mediante el recocido, se

disminuye el tamaño del grano y se puede producir una microestructura

deseada controlando la velocidad a la que se enfría el metal.

Etapas

El recocido se realiza en tres etapas: primero se calienta el material hasta la

temperatura de recocido, después se mantiene la temperatura durante un

tiempo determinado. Por último se deja enfriar el material lentamente. Se

deben preparar debidamente las piezas que se vayan a recocer. Se debe

eliminar la herrumbre y el óxido.

Tipos de recocido

Recocido de eliminación de tensiones: Por medio de la deformación

en frío se presentan tensiones en el material. Dichas tensiones pueden

provocar deformaciones en las piezas, pero pueden eliminarse mediante

un recocido calentando el metal entre 550 y 650ºC y manteniendo la

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73

temperatura durante 30-120 minutos. Después se refrigera de forma

lenta.

Recocido de ablandamiento: Los materiales templados o ricos en

carbono (sobre 0,9%) son difíciles de trabajar mediante arranque de

viruta (torneado, fresado, etc.) o mediante deformación en frío. Para

ablandar el material puede hacerse un recocido. Se calienta la pieza

entre 650 y 750ºC tras lo cual se mantiene la temperatura durante 3-4

horas antes de disminuir lentamente su temperatura. Es habitual

mantener una subida y bajada alternativa de la temperatura en torno a

los 723ºC.

Fig. 31 Gráfica del recocido normal

Recocido normal: Mediante el recocido normal se afina el grano de la

estructura y se compensan las irregularidades de las piezas producidas por

deformaciones, ya sea en caliente o en frío, tales como

doblado, fundición, soldadura, etc. El procedimiento consiste en calentar a

temperaturas entre 750 y 980ºC, conforme al contenido de carbono del

material, tras lo que se mantiene la temperatura para después dejar enfriar

lentamente al aire.

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74

CONCLUSIONES

Los éxitos obtenidos en la producción de nuevos aceros empezaron a extenderse a los

materiales como los polímeros y las cerámicas, obligando a crear

nuevas investigaciones sobre las propiedades de la materia.

En las investigaciones destaca la búsqueda de propiedades específicas orientadas a

lograr la eficiencia global de los procesos, se incide así en aspectos como la resistencia

a las altas temperaturas, la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión, así como

una mayor eficiencia energética, a la par de reducciones en la densidad y en peso, o

bien, capacidades conductoras ampliadas, texturas, transparencia, etc. Estas

características se han logrado obtener por combinaciones y procesos.

Los diagramas de fases son de gran utilidad para estas investigaciones. Debido a que

al aplicarle a un material cierto tratamiento térmico (temple, recocido, revenido o

normalizado), el diagrama de fases ayuda a predecir, por ejemplo, a que temperatura

el material lograría la solidificación, a que temperatura fundiría, a que temperatura

lograría el equilibrio cierta aleación, averiguar la solubilidad, etc.

En muy diversas formas, la creación y difusión de nuevos materiales ha llevado a estos

a ocupar mercados que por muchos años fueron exclusivos, principalmente de

metales tradicionales. Uno de los ejemplos más claros se ha dado en la industria del

cobre, donde los principales sectores tradicionalmente basados en este metal han

sufrido gradualmente la inserción de los plásticos, el aluminio y la fibra óptica, por

mencionar sólo algunos materiales.

El mayor desplazamiento del cobre se ha producido en ciertas áreas del sector

eléctrico. Una de ellas, es la de las comunicaciones a distancia, con alta densidad de

mensajes/información. Allí se ha preferido la fibra óptica por su capacidad para

transmitir grandes volúmenes de información. A partir de la década de los noventa

ésta se ha constituido como parte importante del sistema de comunicaciones a

distancia entre países y al interior de algunos de ellos. Sin embargo, dado que este tipo

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de uso representa menos del 10% del cobre consumido en telecomunicaciones, el

impacto puede ser graduado. Aunque podría ser distinto si la fibra óptica penetrase el

sistema domiciliario, que consume el resto del cobre. Aunque esto es poco probable,

pues el alto costo de la fibra óptica sólo justifica su uso en aquellos casos en que se

requiere manejar un gran volumen de información.

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BIBLIOGRAFÍA

http://www.babelfish.altavista.com/cgi-bin/translate?#page9

MALISHEV, A.; Tecnología de los metales; Séptima Edición; Mir Moscú; 1985.

SMITH, W.; Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales; Tercera Edición;

Mac Graw Hill, 1998.

YU, M.; Metalografía y Tratamiento termoquímico de los Metales; Mir Moscú,

Traducción del Ruso, 1977.

ANEXO O1

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES Fe - C

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Anexo 02 descomposición de masa

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