Diagrama de fases

INTRODUCCIÓN

Las propiedades mecánicas de los materiales ingenieriles dependen fuertemente de su microestructura. Por esto, los ingenieros deberán poseer un conocimiento básico de cómo se forman las microestructuras y como estas estructuras influencian las propiedades del material.

El propósito de este estudio es brindar entendimiento de las transformaciones de fases que deben realizarsepróximas al equilibrio (condiciones de enfriamientos muy lentos), por lo que los diagramas de fases pueden ser utilizados como una ayuda en la interpretación de la microestructura.

Conceptos básicos

Fase

Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con unainterfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente.

Una fase es una región homogénea y físicamente distinguible, con las siguientes características:
Tiene una misma estructura o arreglo atómico.
Tiene aproximadamente una misma composición y propiedades.
Hay una interfase o frontera definida entre la fase y cualquierotra que la rodea.

Algunos metales son alotrópicos, en estado sólido presentan varias fases.

Para la mayoría de los elementos puros, el término “fase” es sinónimo de “estado”, por lo tanto se les ubica en tres fases: sólida, líquida y gaseosa.

Componente

Se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. Por ejemplo, unasolución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes.

Sustancia pura

Una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase).Límite de solubilidad

Concentración máxima de soluto en un solvente para formar una solución sólida.

Equilibrio

Un sistema esta en equilibrio cuando no presenta tendencia alguna a cambiar, con el tiempo, sus propiedades y características.

Energía Libre de Gibbs

Es una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para unareacción química (a presión y temperatura constantes). Expresa la energía en exceso que es necesaria para llevar a cabo una reacción química.

Diagramas de fases

Los materiales en estado sólido pueden estar formados por varias fases. La combinación de estas fases definen muchas de las propiedades que tendrá el material. Por esa razón, se hace necesario tener una herramienta teórica que permitadescribir las fases que estarán presentes en el material. Esta herramienta teórica se llama Diagrama de Fases.

Los diagramas de fases se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos dediagramas de fases).

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 materiales.

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentescomposiciones 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 en 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...