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IngeMek – Ingenieros  www.ingemek.es   

  José Manuel Gómez Vega  

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  DIAGRAMA DE FASES BINARIOS.    ÍNDICE.  0. OBSERVACIÓN PREVIA .................................................................................................................... 3  1. NOCIONES INTRODUCTORIAS. ........................................................................................................ 3  1.1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................... 3  1.2. DEFINICIONES........................................................................................................................................ 3  1.3. SOLUCIONES Y SOLUBILIDAD. .................................................................................................................... 4  1.3.1. Solubilidad ilimitada. ................................................................................................................ 5  1.3.2. Solubilidad limitada. ................................................................................................................. 6  2.  DIAGRAMAS DE FASE. .................................................................................................................... 8  2.1. INFORMACIÓN QUE PODEMOS OBTENER DE LOS DIAGRAMAS DE FASE. .............................................................. 8  2.2. DIAGRAMA DE FASES DE SUSTANCIAS PURAS. ............................................................................................... 9  2.3. REGLA DE LAS FASES DE GIBBS. ................................................................................................................. 9  2.4. SOLUBILIDAD SÓLIDA COMPLETA (DIAGRAMA ISOMORFO). .......................................................................... 10  2.4.1. Temperaturas de líquidus y de sólidus. ................................................................................... 10  2.4.2. Fases presentes. ...................................................................................................................... 11  2.4.3. Composición de cada fase. ...................................................................................................... 11  2.5. REGLA DE LA PALANCA. ......................................................................................................................... 11  2.5.2. Pasos para calcular las composiciones. .................................................................................. 12  2.5.3. Ejemplo práctico de aplicación................................................................................................ 12  2.6. SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN DE SOLUCIÓN SÓLIDA LIMITADA (SOLUCIÓN EN EQUILIBRIO). .......................... 13  2.7. CLASIFICACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASE. ............................................................................................. 15  2.7.1. Grupo primero. ........................................................................................................................ 15  2.7.2. Grupo segundo. ....................................................................................................................... 15  2.7.3. Grupo tercero. ......................................................................................................................... 16  2.7.5. Diagramas de fases con compuestos y fases intermedias. ..................................................... 17  2.7.6. Grupo cuarto. .......................................................................................................................... 18  2.7.7. Grupo quinto. .......................................................................................................................... 19  2.7.8. Reacciones invariantes. ........................................................................................................... 19  2.7.9. Solidificación fuera de equilibrio. ............................................................................................ 20  2.8.  MISCIBILIDAD SÓLIDA PARCIAL. .............................................................................................................. 21  2.9 DIAGRAMAS TTT. ................................................................................................................................. 22  2.10. CONCLUSIONES. ................................................................................................................................ 22  3. 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS EMPLEADAS. ............................................................................ 23 

     

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0. OBSERVACIÓN PREVIA.    En  la  bibliografía  complementaria  consultada  he  observado  que  ciertos  autores  consideran los diagramas de tres fases aquellos en los que se dan la reacción eutéctica,  peritéctica,  eutectoide  y  peritectoide,  etc.  Seguiré  lo  estudiado  según  los  textos  básicos y la consideración de diagrama de fases binarios de los mismos.    He tomado parte de las ilustraciones de otros libros de referencia que se recogen en la  bibliografía.  Dado  que  con  este  trabajo  no  voy  a  obtener  lucro  y  puedo  ofrecer  publicidad gratuita para esas referencias, considero oportuno el haberlas incluido.   

1. Nociones introductorias.   1.1. Introducción.   En este trabajo veremos que los diagramas de fase son modelos que muestran las fases que  deben existir en condiciones de equilibrio termodinámico. Veremos conceptos fundamentales,  tales como los estados de la materia, reglas de fases, miscibilidad, regla de la palanca, etc.  También  analizaremos  distintos  ejemplos  que  nos  permitan  comprender  con  mayor  claridad  los conceptos que envuelven a los cambios de fases y centraremos el estudio posteriormente  en los diagramas de fase binarios.    

1.2. Definiciones.   Solución:  Ésta  puede  ser  sólida  o  líquida  (monofásica).  En  una  solución  puede  ocurrir  cualquiera de los siguientes aspectos:  1) un átomo puede ser substituido por otro, en sitios de la red cristalina pertenecientes a  la estructura de la fase  2) los átomos pueden colocarse en intersticios de la estructura.  3) el soluto no modifica la estructura del solvente.     Solución sólida: un átomo del soluto se introduce en la red de otro (disolvente), pudiendo  sustituir a los del disolvente o meterse en  los huecos de la red, de tamaño atómico parecido,  parecidas propiedades químicas, con poca afinidad química (escasa reactibilidad). La solución  sólida es característica del enlace metálico.    Compuesto:  los elementos mezclados son bastante diferentes químicamente; presentarán  mayor propensión a mezclarse por afinidad química, pudiendo estar formado por metales y no  metales  en  proporciones  cercanas  a  las  estequiométricas.  Del  estudio  de  la  estructura  se  observa  que  cuanto  mayor  sea  el  carácter  iónico  o  monopolar,  mayor  tendencia  tendrá  a  formar compuesto.      José Manuel Gómez Vega  

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Mezcla: material con más de una fase (polifásica), los componentes se mezclan pero ninguno  se disuelve en el otro. Veamos ejemplos aclaratorios:        1)  Contienen más de una estructura (patrón estructural). Ej.: arena y agua        2)  En cada uno de los agregados hay dos fases diferentes, cada uno con su propio arreglo    atómico (red estructural).        3)  Las  propiedades  resultantes  no  corresponden  a  las  de  las  fases  componentes  individuales,  por  lo  que  el  material  resultante  tiene  características  bien  distintas  a  la  de  los  materiales individuales. Ej.: hormigón armado.    Fase: es aquella parte o región de un material que es distinta a otra región en estructura y/o  composición.  Ejemplos:  • Agua y hielo: Estas dos  fases  pueden coexistir, y aunque tienen una misma  composición, el  hielo es un sólido cristalino con red hexagonal, mientras que el agua es líquida.  • Plástico reforzado con fibra de vidrio  • Hormigón reforzado con fibras (de acero, polipropileno, u otras).  Las dos fases de un material dado presentan diferencias bien claras tanto en composición como  en estructura.    Frontera de Fase:  representa una DISCONTINUIDAD en la estructura y/o composición de  un material, están representadas por las líneas que dividen cada sector del diagrama de fase. 

  1.3. Soluciones y solubilidad.   Cuando se empiezan a combinar materiales distintos, como al agregar elementos de aleación a  un metal, se producen soluciones. Éstas pueden ser tanto líquidas como sólidas. El interés es  determinar  la  cantidad  de  cada  material  que  se  puede  combinar  sin  producir  una  fase  adicional. En otras palabras, la atención se enfocará en la solubilidad de un material en otro.  Las  soluciones  alteran  las  propiedades  de  los  materiales  como  se  puede  ver  en  las  figuras  siguientes. 

                

fig. 1    

 

                 

 

 

fig. 2 

 

  Figura 1: esta tabla muestra el cambio de propiedades de un material al cambiar su composición.    Figura 2: muestra la relación tensión‐deformación entre áridos, pasta de cemento y la mezcla de ambos (hormigón),  produciendo un material de dos fases. 

 

   

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1.3.1. Solubilidad ilimitada.

  Supongamos  que  se  inicia  con  un  vaso  de  agua  y  uno  de  alcohol.  El  agua  es  una  fase  y  el  alcohol otra. Al vaciar el agua en el alcohol y revolver, solamente se producirá una fase. El vaso  contendrá una solución de agua y alcohol, con estructura, propiedades y composición únicas.  El  agua  y  el  alcohol  son  solubles  entre  sí.  Además,  tienen  una  solubilidad  ilimitada:  independientemente de la relación de agua y alcohol, al mezclarlos sólo se produce una fase.  De manera similar, si se mezcla cualquier cantidad de cobre líquido y de níquel líquido, sólo se  obtendrá  una  sola  fase  líquida.  La  aleación  de  líquido  tendrá  la  misma  composición,  propiedades  y  estructura  en  todas  partes  (Figura  3),  porque  el  níquel  y  el  cobre  tienen  solubilidad líquida ilimitada. 

  fig. 3    Si  la  aleación  líquida  cobre‐níquel  se  solidifica  y  se  enfría  a  temperatura  ambiente,  sólo  se  produce  una  fase  sólida.  Después  de  la  solidificación,  los  átomos de  cobre  y  de  níquel  no  se  separan, sino que, en vez de ello, se localizan de manera aleatoria en los puntos de la red CCC  (red cúbica centrada en las caras). En el interior de la fase sólida, la estructura, propiedades y  composición son uniformes y no existe interfase alguna entre los átomos de cobre y de níquel.  Por tanto, el cobre y el níquel también tienen solubilidad sólida ilimitada. La fase sólida es una  solución sólida.   

fig. 4 

 

       

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Una  solución  sólida  no  es  una  mezcla,  como  hemos  visto  en  las  definiciones  previas.  Las  mezclas  contienen  más  de  un  tipo  de  fase  y  sus  componentes  conservan  sus  propiedades  individuales como vimos. Los componentes de una solución sólida se disuelven uno en el otro  y no retienen sus características propias. 

  1.3.2. Solubilidad limitada.

  Cuando se agrega una pequeña cantidad de azúcar (primera fase) a un vaso con agua (segunda  fase)  y  se  revuelve,  el  azúcar  se  disuelve  totalmente  en  el  agua.  Se  obtendrá  sólo  una  fase:  agua azucarada. Sin embargo, si al agua se le agrega demasiada azúcar, el exceso se hundirá en  el  fondo  del  vaso.  Ahora  se  tienen  dos  fases,  agua  saturada  con  azúcar,  más  la  sólida  excedente: el azúcar tiene solubilidad limitada en el agua. La figura 5 muestra la limitación que  tiene disolver azúcar en agua. 

 

fig. 5  

  En  la  figura  6  se  muestra  como  disminuye  la  temperatura  de  solidificación  del  agua,  al  aumentar la cantidad de sal hasta un 23,3%, Esto se usa para evitar el hielo en los pavimentos.  Se puede apreciar que la zona del gráfico sobre 0 ºC es similar al gráfico de agua y azúcar.   

fig.6 

 

    Si  al  cobre  líquido  se  le  agrega  una  pequeña  cantidad  de  zinc  líquido,  se  producirá  una  sola  solución  líquida.  Cuando  dicha  solución  de  cobre  y  zinc  se  enfría  y  se  solidifica,  da  como  resultado una solución sólida de estructura CCC, con los átomos de cobre y de zinc localizados  de  manera  aleatoria  en  los  puntos  normales  de  la  red.  Sin  embargo,  si  la  solución  líquida  José Manuel Gómez Vega  

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contiene  más  de  un  30  por  ciento  de  zinc,  algunos  de  los  átomos  de  zinc  excedentes  se  combinarán con algunos de los átomos de cobre, para formar un compuesto Cu ‐ Zn (figura 7).   

 

fig. 7 

  Ahora  coexisten  dos  fases  sólidas:  una  solución  sólida  de  cobre  saturado,  con  aproximadamente 30 % de zinc, y un compuesto Cu‐Zn. La solubilidad del zinc en el cobre es  limitada.     La figura 8 muestra una porción del diagrama de fases Cu‐Zn ilustrando la solubilidad del zinc  en el cobre a bajas temperaturas. La solubilidad aumenta al incrementarse la temperatura.   

fig.8 

 

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En la figura 9 podemos ver que una mezcla de dos fases se puede transformar en una solución homogénea de una  fase, aumentando su temperatura. 

 

 

fig. 9 

  En el caso extremo, pudiera no existir prácticamente nada de solubilidad entre un material y  otro. Esto es cierto para el aceite y el agua, o para aleaciones de cobre y plomo, por ejemplo. 

 

2. DIAGRAMAS DE FASE.   Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a  varias temperaturas, presiones y composiciones. 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,  donde  la  temperatura  está  en  el  eje  de  ordenadas  y  la  composición en el eje de abscisas de un sistema cartesiano de coordenadas. 

  2.1. Información que podemos obtener de los diagramas de fase.   Son 4 las más importantes.    1.    Conocer  qué  fases  están  presentes  a  diferentes  composiciones  y  temperaturas  bajo  condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).  2.    Averiguar  la  solubilidad,  en  el  estado  sólido  y  en  el  equilibrio,  de  un  elemento  (o  compuesto) en otro.  3.   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.  4.    Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. 

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2.2. Diagrama de fases de sustancias puras.   Una  sustancia  pura  como  el  agua  puede  existir  en  las  fases  sólida,  líquida  y  gaseosa,  dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Un ejemplo familiar para todos de  dos fases de una sustancia pura en equilibrio es un vaso de agua con cubos de hielo. En este  caso  el  agua,  sólida  y  líquida,  da  lugar  a  dos  fases  distintas  separadas  por  una  fase  límite,  la  superficie de los cubos de hielo. Durante la ebullición del agua, el agua líquida y el agua vapor  son dos fases en equilibrio.     Una representación de las fases acuosas que existen bajo diferentes condiciones de presión y  temperatura se muestra en la figura 10.   

fig. 10 

 

Diagrama de equilibrio de fases aproximado presión‐temperatura (PT) para el agua pura. (Los ejes del diagrama se  encuentran algo distorsionados) 

  En el diagrama de fases presión‐temperatura (PT) del agua existe un punto triple a baja presión  (0,6113  kPa  =  0,00602  atm)  y  baja  temperatura  (0,0098  ºC)  donde  las  fases  sólida,  líquida  y  gaseosa coexisten. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización y las  fases líquida y sólida a lo largo de la línea de congelación, como se muestra en la Figura. Estas  líneas son líneas de equilibrio entre dos fases.   

2.3. Regla de las Fases de Gibbs.   Ecuación  que  permite  calcular  el  número  de  fases  que  pueden  coexistir  en  equilibrio  en  cualquier sistema:    P + F = C + 2    (P + F = C + 1 si la presión es cte = 1 atm,   que será la utilizada en todos los cálculos futuros de metalotecnia).    P = número de fases que pueden coexistir en el sistema elegido  C = número de componentes en el sistema (elemento, compuesto o solución)  F = grados de libertad (número de variables: presión, temperatura y composición) 

 

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2.4. Solubilidad Sólida Completa (Diagrama isomorfo).   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 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.    La figura 11 muestra como cambia la composición a medida que cambia la temperatura.    

fig. 11 

 

  2.4.1. Temperaturas de líquidus y de sólidus.   La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación  por encima de líquidus 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 líquidus.    La temperatura de sólidus 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 sólidus.     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  sólidus,  de  manera que no ocurra fusión.    Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y  el  sólidus.  La  diferencia  de  temperatura  entre  líquidus  y  sólidus  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 alpha. 

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2.4.2. Fases presentes.

  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. 

  2.4.3. Composición de cada fase.

  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.  La figura 12 muestra la composición de cada una de las fases a una determinada temperatura. 

fig. 12 

 

 

2.5. Regla de la Palanca.   Finalmente, el interés se enfoca en las cantidades relativas de cada fase, presentes dentro de  la aleación. Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso).  En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas, sin  embargo,  se  deberá  calcular  la  cantidad  de  cada  fase.  Una  técnica  es  hacer  un  balance  de  materiales.    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).   

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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:                                          Brazo opuesto de palanca  Porcentaje de fase =   ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    ∙  100                                        Longitud total de isoterma    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  regla  de  la  palanca  puesto  que  la  respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente).   

2.5.2. Pasos para calcular las composiciones.   1. Dibujar la isoterma (figura 13).  2. Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada (fig.14).   

     

 

      fig. 13 

 

                                                             fig.14 

                 

1. Dividir el largo del opuesto por la isoterma   2. El resultado se multiplica por 100.   

2.5.3. Ejemplo práctico de aplicación.   Una  aleación  de  cobre  ‐  níquel  contiene  47%  en  peso  de  Cu  y  53%  de  Ni  y  está  a  1.300  °C.   Utilizando la figura 15, responder lo siguiente:    (a)¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre en las fases sólida y líquida a esta temperatura?  (b)¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida, y qué porcentaje es sólida? 

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  fig. 15 

 

Solución:  a) % Cu en fase líquida: 55 % Cu       % Cu en fase sólida:  42 % Cu  b) Para el Níquel: wo = 53 % / wl = 45 % / ws = 58 %    Las ecuaciones a emplear serán:   

Xs 

w0  wl 53  45   0.62 58  45 ws  wl

Xl 

w s  wo 58  53   0.38   ws  wl 58  45

Xl 1 X s

2.6. Solidificación de una aleación de solución sólida limitada (solución en equilibrio).   En una aleación como Cu‐40% Ni que se funde y luego se enfría, la solidificación requiere que  ocurra  tanto  la  nucleación  como  el  crecimiento.  La  nucleación  heterogénea  permite  poco  o  prácticamente ningún subenfriamiento, por lo que la solidificación empezará cuando el líquido  llegue a la temperatura de líquidus. El diagrama de fases (figura 17) con la isoterma trazada a 

José Manuel Gómez Vega  

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la temperatura de líquidus, indica que el primer sólido que se forma tiene una composición Cu‐ 52% Ni.   

fig.17 

 

  El  cambio  en  estructura  de  una  aleación  Cu‐40%  Ni  durante  la  solidificación  en  equilibrio.  Los  átomos  de  níquel  y  cobre deben difundirse durante el enfriamiento, a fin de satisfacer el diagrama de fases y producir una estructura en  equilibrio uniforme. 

  Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del sólido a. Primero, el crecimiento requiere  que el calor latente de fusión, que se disipa durante la solidificación del líquido, sea eliminado  de  la  interfase  sólido  líquido.  Segundo,  y  a  diferencia  de  los  metales  puros,  debe  ocurrir  la  difusión  tal  de  manera  que  durante  el  enfriamiento  las  composiciones  de  las  fases  sólida  y  líquida sigan las curvas de sólidus y de líquidus.     El calor latente de fusión es eliminado a lo largo de un rango de temperaturas, y así la curva de  enfriamiento muestra un cambio en pendiente, en vez de meseta plana.   

fig. 18 

 

  La  curva  de  enfriamiento  correspondiente  a  una  aleación  isomorfa  durante  la  solidificación.  Los  cambios  en  la  pendiente  de  la  curva  de  enfriamiento  indican  las  temperaturas  de  líquidus  y  de  sólidus,  en  este  caso,  correspondientes a una aleación Cu‐40% Ni. 

  Al inicio de la solidificación, el líquido contiene Cu‐40% Ni y el primer sólido contiene Cu‐52%  Ni. Los átomos de níquel debieron difundirse y concentrarse en el primer sólido que se formó.  Pero después de enfriarse hasta 1250ºC, la solidificación ha avanzado y el diagrama de fases  indica que ahora todo el líquido debe contener 32 % de Ni y todo el sólido debe contener 45 %  de Ni. Al enfriarse desde el líquidus hasta 1250ºC, algunos átomos de níquel debieron haberse  difundido del primer sólido hasta el nuevo sólido, reduciendo el níquel del primero. Además,  se difunden átomos de níquel del líquido en solidificación hacia el nuevo sólido. Entre tanto,  José Manuel Gómez Vega  

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los  átomos  de  cobre  se  han  concentrado,  por  difusión,  en  el  líquido  restante.  Este  proceso  deberá  continuar  hasta  llegar  a  la  temperatura  de  sólidus,  donde  el  último  líquido  en  solidificarse,  que  contiene  Cu‐28%  Ni,  lo  hace  formando  un  sólido  que  contiene  Cu‐40%  Ni.  Justo debajo de la temperatura de sólidus, todo el sólido deberá contener una concentración  uniforme de 40 por ciento de Ni.    Para poder conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad de enfriamiento debe ser  extremadamente lenta. Debe permitirse el tiempo suficiente para que los átomos de cobre y  níquel  se  difundan  y  produzcan  las  composiciones  mostradas  en  el  diagrama  de  fases.  En  la  mayor  parte  de  las  situaciones  prácticas,  la  velocidad  de  enfriamiento  es  demasiado  rápida  para permitir este equilibrio.   

2.7. Clasificación de los diagramas de fase.   En  una  aleación  de  dos  componentes  puede  que  ambos  sean  completa  o  parcialmente  solubles o insolubles (tres casos). Esto determina una clasificación de los diagramas básicos de  equilibrio, donde la solubilidad hace referencia a la solidificación respecto al sólido.   

2.7.1. Grupo primero.   ‐Dos metálicos (grupos 1 a) completamente solubles en líquido y en sólido.   ‐En la figura 19 se observan las líneas líquidus, sólidus y las composiciones de cada zona. 

fig. 19 

 

2.7.2. Grupo segundo.   ‐Dos  metales  (grupo  1  b),  totalmente  solubles  en  líquido  y  completamente  insolubles  en  estado líquido.  ‐Línea  horizontal  plana  en  puntos  de  solidificación  producida  a  una  única  temperatura  TE  donde se encuentra el punto E  (eutéctico): mínimo de línea líquidus.  ‐Al transferir los resultados de la fig. 20 a la fig. 21 llevamos las pendientes de las curvas.  ‐TA  y TB : puntos de inicio de solidificación donde A y B son puros.  ‐Las líneas líquidus y sólidus son las marcadas en la fig. 21.  José Manuel Gómez Vega  

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‐4 áreas: solución líquida (solo 1 fase), líquido + sólido A, líquido + sólido B, sólido A + sólido B.   ‐Serán  mezclas  por  ser  insolubles  en  líquidos;  a  la  izquierda  hipoeutécticas,  a  la  derecha  hipereutécticas.  ‐45A‐55B : composición eutéctica.    ‐Reacción eutéctica:  líquido

enfriamiento  SólidoA  SólidoB    calentamiento

   

     

   

fig. 20   

 

 

 

 

fig. 21 

2.7.3. Grupo tercero.   ‐Dos metales (grupo 1 c) completamente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en  estado sólido.  ‐Son los más predominantes.  ‐Tiene  en  común  con  los  de  los  grupos  anteriores  que  solo  hay  una  solución  líquida  de  fase  única  arriba  de  la  línea  líquidus  y  tiene  como  diferencia  que  existen  soluciones  sólidas  terminales   ,  próximas a los ejes.  ‐Las áreas restantes serán de dos fases: líquido +    ,  líquido +   y     , según se aprecia en  la figura 22.  ‐Las líneas solvus A’A’’ y B’B’’ indican las solubilidad máxima o saturada.  ‐También existe un punto eutéctico (como en el grupo segundo).   

José Manuel Gómez Vega  

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              fig. 22   

 

  2.7.5. Diagramas de fases con compuestos y fases intermedias.   ‐Hay  dos  tipos  de  soluciones  sólidas:  fases  terminales  (visto  en  grupo  tercero)  y  fases  intermedias,  que  pueden  ser  simples  o  compuesto  de  electrones  y  que  no  solo  están  restringidas a aleaciones binarias.  ‐En  la  fase  intermedia  simple  de  la  figura  122  se  observa  que  se  forma  el  compuesto  Mg2Sn  para 70,9 % de estaño de composición invariable que no disuelve en ninguno de los elementos  constituyentes.  ‐En el compuesto de electrones (indicado en letras griegas) sí se puede disolver en cantidades  limitadas, como el Ni3Ta de la fig. 24.    

                                 fig. 23                                                           fig. 24   

 

  José Manuel Gómez Vega  

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La reacción peritéctica.    Se  da  en  componentes  completamente  solubles  en  estado  líquido  donde  se  forman  fases  intermedias congruentes e incongruentes.    Congruentes: cambio isotérmico, sin variación en composición química (metales puros).  La  reacción  peritéctica  es  incongruente,  reacción  en  tres  fases,  al  enfriar  dos  (una  de  ellas  líquida) dan un nuevo producto sólido. Es  inversa a la reacción eutéctica:    Reacción peritéctica:      líquido  sólido1

enfriamiento  nuevo _ sólido 2    calentamiento

 

fig. 25 

 

2.7.6. Grupo cuarto. ‐Ambos componentes son parcialmente solubles en estado líquido.  ‐Temperatura monotéctica: arriba de la cual hay dos soluciones líquidas.  ‐A  temperaturas  superiores  es  posible  que  las  líneas  punteadas  se  cierren  y  solo  haya  una  solución líquida homogénea.   ‐Reacción monotéctica: un líquido al enfriar forma otro líquido más un sólido. Es parecida a la  eutéctica, salvo que cada uno de los productos es fase líquida (y no sólida).    Reacción monotéctica:       L1

enfriamiento  L2  Sólido    calentamiento

 

‐ fig. 26 

  José Manuel Gómez Vega  

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2.7.7. Grupo quinto.

  ‐Dos metales (grupo 3 b), totalmente insolubles en estado líquido y en sólido estado sólido.  ‐Al  enfriar,  los  metales  solidifican  en  sus  puntos  de  solidificación  en  dos  capas  distintas,  con  una línea de contacto y casi sin difusión, según se observa en la fig. 27. 

fig. 27 

 

2.7.8. Reacciones invariantes.   Hemos  visto  ya  las  reacciones  tipo  eutéctico,  peritéctico  y  monotéctico  que  son  reacciones  invariantes, es decir, existen cero grados de libertad porque las temperaturas y composiciones  están fijadas.    Ahora veremos las reacciones eutectoide y peritectoide.     Reacción eutectoide:       Sólido _ 1

enfriamiento  L2  Sólido _ 2  Sólido _ 3   calentamiento

  ‐parecida a la eutéctica, salvo que no interviene líquido en el reactivo.  ‐es extremadamente fina, no distinguiéndose al microscopio de la eutéctica.  ‐no interviene líquido.   

fig. 28 

 

  José Manuel Gómez Vega  

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Reacción peritectoide:  Sólido _ 1  Sólido _ 2

enfriamiento  L2  Sólido _ 3    calentamiento

‐la nueva fase puede ser aleación intermedia, compuesto o también solución sólida.  ‐parecida a la peritéctica, salvo que no hay líquido en los reactivos.  ‐dos tipos representados.  En la fig. 29 hay dos fases sólidas forman una fase gamma en la línea XY de T. 



enfriamiento     calentamiento

En la fig. 30 hay dos fases sólidas (metal puro y solución sólida) que forman fase sólida gamma  en la línea ZW. 



enfriamiento     calentamiento

Las líneas anteriores se denominan líneas de temperatura peritectoide. 

 

  fig. 29                                                                     fig. 30     

2.7.9. Solidificación fuera de equilibrio.

  Cuando el enfriamiento es demasiado rápido para que se difundan los átomos y se produzcan  condiciones  de  equilibrio,  aparecen  en  la  fundición  estructuras  poco  comunes.  Obsérvese  lo  que ocurre en la aleación Cu‐40% Ni durante un enfriamiento rápido. 

José Manuel Gómez Vega  

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fig. 19   

 

Modificación  en  la  estructura  de  una  aleación  Cu‐40%  Ni  durante  la  solidificación  fuera  de  equilibrio.  Un  tiempo  insuficiente para la difusión dentro del sólido  produce una estructura segregada. Se puede apreciar claramente la  diferencia de composiciones con respecto a la solidificación en equilibrio. 

 

2.8. Miscibilidad sólida parcial.     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:    1. Localícese 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.  2. Localícense 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.  3. Búsquese  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 eutéctica, peritéctica 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.    José Manuel Gómez Vega  

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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. 

  2.9 Diagramas TTT.

  Los  diagramas  Temperatura  ‐  Tiempo  ‐  Transformación  gráficamente  describen  las  velocidades,  tiempos  y  temperaturas  a  las  cuales  se  producen  las  transformaciones  de  las  aleaciones a estructuras fuera del equilibrio:    ∙  Diagrama  de  Transformación  Isotérmica  (TI):  diagrama  de  transformación  tiempo  –  temperatura que indica el tiempo necesario para que una fase se descomponga en otra fases  isotérmicamente  a  diferentes  temperaturas.  Permite  predecir  estructura,  propiedades  mecánicas y el tratamiento térmico en los aceros.    ∙ Diagrama de Transformación de Enfriamiento Continuo (TEC): diagrama de transformación  tiempo ‐ temperatura que indica el tiempo para que una fase se descomponga continuamente  en otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento.   

2.10. Conclusiones.

  Pudimos  ver  que  las  soluciones  alteran  las  propiedades  de  los  materiales  al  cambiar  su  composición,  donde  dependiendo  de  las  propiedades  y  cantidades  de  cada  elemento  que  se  combina se generan distintas fases, en que la temperatura, la presión y composición, cumplen  una función fundamental.    También a través de los diagramas de fases, podemos concluir, que las distintas fases, sólido,  líquido y gaseoso, pueden coexistir en las llamadas líneas y puntos de equilibrio. Dependiendo  del número de elementos presentes, se puede elaborar un diagrama de fase simple, binario,  ternario, etc. En ellos es posible determinar el porcentaje en peso (% peso) presentes de cada  elemento, a través de la regla de la palanca.     También  debemos  mencionar  que  dependiendo  del  proceso  de  solidificación,  las  reacciones  pueden ser eutécticas, monotécticas, peritécticas, eutectoides y peritectoides     A continuación se ofrece un cuadro resumen con dichas reacciones. 

José Manuel Gómez Vega  

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3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS EMPLEADAS.   1. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Donald R. Askeland.  2. “Introducción  al  conocimiento  de  materiales”,  Segundo  Barroso  Herrero  y  Joaquín  Ibáñez Ulargui.  3. “Construcción  e  interpretación  de  diagramas  de  fase  binarios”,  Segundo  Barroso  Herrero y José Ramón Gil Bercero.  4. “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los materiales”. William F. Smith  5. “Materials Science Cd – Rom”. John C. Russ, North Carolina State University.  6. “Ciencia  de  los  materiales”.  Departamento  de  Ingeniería  de  los  Materiales,     Universidad de Chile.  http://cipres.cecc.uchile.cl/links       

José Manuel Gómez Vega  

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