Universidad Alejandro mostajo F.U.l

Los diagramas de fase son sumamente importantes en áreas comola metalurgia o la química-física, porque agrupan gran cantidad deinformación sobre el comportamiento de las aleaciones a diferentescondiciones, una aleación es una mezcla sólida homogénea dedos o más metales, se hace para conseguir características muydifíciles de hallar en los metales puros, o de uno o más metales conalgunos elementos no metálicos. Se puede observar que lasaleaciones están constituidas por elementos metálicos en estadoelemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb.Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C,Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementosllevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan.Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuálo cuáles elementos se encuentran presentes en mayor proporción,denominándose a estos elementos componentes base de laaleación. Los elementos que se encuentran en menor p

bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.Figura 2.3 Diagrama de fases del cobre-níquelPara una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente enfase sólida, en fase sólida+líquida y en fase totalmente líquida según laproporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinadaproporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cualtoda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas endonde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperaturaa partir de la cual toda la aleación esté líquida.Proceso de construcción de un diagrama de fases isomorfo binario.

Página 8Los diagramas de fases son representaciones gráficas –a varias temperaturas,presiones y composiciones- de las fases que están presentes en un sistema demateriales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones deequilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir muchosaspectos del comportamiento de los materiales. Parte de la información que se puede obtener a partir de ellos es la siguiente: Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas. Solubilidad de un elemento o compuesto en otro. Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificación. Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases. La figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del agua. Unasustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida o gaseosa enfunción de las condiciones de presión y temperatura. En el diagrama se observaun punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en elque coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases líquida ygaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las fases líquida y sólidaexisten a lo largo de la línea de solidificació n. Estas líneas son líneas deequilibrio entre las dos fases.

presión constante y a medida que aumenta la temperatura el agua pasa de lafase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que tiene lugar este cambio defase es la temperatura de fusión. Si continua aumentando la temperatura habráun segundo cambio de fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es latemperatura de vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincidepara varias presiones con la línea de solidificación y vaporizaciónrespectivamente

Los diagramas de fase son sumamente importantes en áreas como la metalurgia o la química-física, porque agrupan gran cantidad de información sobre el comportamiento de las aleaciones a diferentes condiciones, una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, se hace para conseguir características muy difíciles de hallar en los metales puros, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan. Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles elementos se encuentran presentes en mayor proporción, denominándose a estos elementos componentes base de la aleación. Los elementos que se encuentran en menor proporción serán componentes secunda

TEÓRICO Los diagramas de fases son representaciones gráficas –a varias temperaturas, presiones y composiciones- de las fases que están presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Parte de la información que se puede obtener a partir de ellos es la siguiente: Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas. Solubilidad de un elemento o compuesto en otro. Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificación. Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases. La figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del agua. Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida o gaseosa en función de las condiciones de presión y temperatura. En el diagrama se observa un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en el que coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las fases líquida y sólida existen a lo largo de la línea de solidificación. Estas líneas son líneas de equilibrio entre las dos fases. A presión constante y a medida que aumenta la temperatura el agua pasa de la fase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que tiene lugar este cambio de fase es la temperatura de fusión. Si continua aumentando la temperatura habrá un segundo cambio de fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es la 3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICA Página temperatura de vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincide para varias presiones con la línea de solidificación y respectivamente. vaporización Figura 2.1 Diagrama de equilibrio de fases para el agua pura La figura 2.2 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del hierro puro. El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3) vapor, Fe γ y Fe α. Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe δ a

la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase producirá la transformación de 3ERla forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A 910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a temperatura ambiente. Figura 2.2 Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro. Aleaciones metálicas. Los metales se caracterizan, en general, por tener una elevada conductividad (eléctrica y térmica), resistencia mecánica, por ser opacos, fundir a temperaturas elevadas, etc. Estas y otras propiedades hacen de los metales los materiales más comúnmente utilizados en la industria. No obstante, pocas veces se utilizan los metales en estado puro, normalmente se mezclan con otros metales o elementos no metálicos formando aleaciones. Las aplicaciones técnicas de los metales exigen frecuentemente que se les otorguen unas propiedades diferentes de las originarias. A veces se desea obtener una dureza y una resistencia mecánica mayor; otras veces, una mayor plasticidad que facilite la conformación; algunas veces se desea una mayor resistencia a la corrosión, etc. La formación de aleaciones permite modificar las propiedades de los metales: la resistencia mecánica de los metales mejora 3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICA P cuando son aleados. Una aleación metálica es un producto obtenido a partir de la unión de dos o más elementos químicos (como mínimo uno de los dos debe ser un metal) y que, una vez formado, presenta las características propias de un metal. La fabricación de aleaciones puede llegar a ser un proceso complejo dependiendo del número de constituyentes de la aleación que deban de añadirse al metal base (componente mayoritario) y de su proporción. Para conocer el comportamiento de la mezcla de acuerdo con las proporciones de los constituyentes de la aleación presentes, se utilizan los diagramas de equilibrio o diagramas de fase. Cuando se estudian aleaciones binarias (mezcla de dos metales) se construyen diagramas temperatura-composición en los que la presión se mantiene constante, normalmente a 1 atm. En dichos diagramas se representa la temperatura en el eje de ordenadas y la composición de la aleación, en tanto por ciento, en el de abcisas. La constitución de una aleación a una determinada temperatura queda determinada por las fases presentes, la fracción en peso de cada una de ellas y por su composición. La estructura de la aleación se describe por el tamaño y forma de las fases presentes. ¿Qué es un sistema de aleación isomorfa binaria? Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico de una aleación se considera como un componente. El cobre puro es un sistema de un solo componente mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema de dos componentes. En algunos sistemas binarios metálicos, los dos elementos son completamente solubles entre sí tanto en estado sólido como líquido. En estos sistemas sólo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se les denomina sistemas isomorfos.

Página 6 Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema cobre-níquel. El cobre y el níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido. En el diagrama de la figura 2.3 se muestra el diagrama de fases de este sistema en el que se representa la composición química de la aleación en tanto por ciento en peso en abcisas y la temperatura en °C en ordenadas. Este diagrama se ha determinado bajo condiciones de enfriamiento lento y a presión atmosférica y no tienen aplicación para aleaciones que sufren un proceso de enfriamiento rápido. El área sobre la línea superior del diagrama, línea de líquidus, corresponde a la región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por

debajo de la línea inferior, línea sólidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de lPara una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en fase sólida, en fase sólida+líquida y en fase totalmente líquida según la proporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinada proporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cual toda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en donde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperatura a partir de la cual toda la aleación esté líquida. Proceso de construcción de un diagrama de fases isomorfo binario. 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 2.4. 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 2.4a). 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 2.4a, L1, L2, L3 y S1, S2, S3 representan el principio y el final respectivamente de la solidificación de una aleación de proporciones 80%Cu-20%Ni; %50%Cu-50%Ni y 20%Cu80%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 3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICA Págtodos 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 2.4b Figura 2.4 Construcción del diagrama de fases en equilibrio del Cu-Ni a partir de las curvas de enfriamiento líquido-sólido. a) Curvas de enfriamiento b) Diagrama de fases en equilibrio.