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IES Pedro de Valdivia

 

 

Diagrama de Fases

 

Se define desde el punto de vista micro estructural a una fase como parte homogénea de un material que difiere en composición, estado o estructura.

En el caso del agua pura, tenemos tres fases,. Representamos su diagrama.

En el caso de la congelación del agua ( procese del hielo ) tenemos dos fases a 0ºC, la líquida y la sólida.

Tenemos tres líneas importantes en este diagrama.

1º Línea de Solidificación

2º Línea de Vaporación

3º Línea de Sublimación

Y la unión de los tres crea este punto mágico donde coexisten las tres fases. Se le denomina punto triple.

Pero si el punto es mágico, más lo es el propio diagrama.

Veamos que ocurre con la línea de solidificación por encima de una atmósfera.

Que se tuerce, que cambia la pendiente

y esto que consecuencias tiene?

Esto simplemente es un milagro. Pensemos en el fondo del mar. Si la pendiente no fuese negativa, a medida que bajamos al fondo, la presión aumenta además. Por otro lado, la temperatura es menor porque los rayos de sol ( su energía ) se queda en las capas mas superficiales ) .

En este caso, baja temperatura y elevada presión tenemos que el agua cambiaría de estado ( hielo y fondos marinos congelados )

Pero gracias a esa pendiente negativa, según aumenta la presión, la temperatura para congelarse debe ser cada vez más pequeña, por tanto , el agua sigue en estado líquido permitiendo la existencia de vida en capas de agua inferiores.

Regla de Fases de Gibbs

Relaciona las variables que se pueden modificar en un diagrama de equilibrio.

Se cumple que:

f + g = c + 2

Esto es:

f = Número de fases existentes en el sistema

g = Número de grados de libertad ( presión, temperatura y composición en sistemas de mas de un componente ) que se pueden modificar sin que varíe la fase del sistema.

c = Número de componentes del sistema

Ejemplos.

Agua en el punto triple.

Tenemos f = 3 y c = 1 ( el agua ), por tanto

3 + g = 1 + 3 -> El grado de libertad es cero. NO se puede tocar la presión o la temperatura sin que varíe el estado

2º Ejemplo. Un punto en estado líquido. En este caso, f = 1, c = 1 y g = 2. Se puede tocar la presión y la temperatura sin que varié el estado.

Como en los procesos industriales, la presión es la atmosférica, se resta una variable y se utiliza la fórmula:

f + g = c + 1.

Diagramas de equilibrio en Aleaciones

Al mantenerse la presión constante, podemos eliminar esta variable de la gráfica y hacerlo que solo dependa de la temperatura

diagrama fases aleacion

Un ejemplo lo tenemos en un diagrama de fases en una aleación de solubilidad total.

Para interpretar este diagrama pensemos que en vertical nos movemos en temperatura y en horizontal en % de material, de esta forma, a la izquierda tenemos el 100 % de A y a la derecha el 100% de B.

En el centro tenemos un 50% de cada uno.

Las dos líneas que aparecen se denominan Línea de Solidus y Liquidus.

¿ Cómo se produce la Solidificación ?

A diferencia del metal puro donde se mantenía la temperatura en proceso de cambio de estado, al existir dos componentes con distintos puntos de fusión, se va a originar un margen de temperaturas donde va a existir dicho proceso.

Si nos fijamos en el diagrama , trazando una vertical , tenemos una temperatura inicial Ti y una Temperatura final Tf. La Ti es inferior a Ta, por tanto los cristales que se van a formar van a estar compuestos principalmente por átomos de A. Según bajamos, nos acercamos a la temperatura de fusión del material B, y los cristales que se va a formar van a contener, ahora, mayor proporción de átomos B.

Entre las dos Temperaturas vamos a tener cristales mas líquido.

Regla de la Horizontal

regal de la horizontal

En el diagrama superior, tenemos una aleación en el Punto A. En este caso, no acaba de solidificar toda la sustancia y tenemos que parte es sólida y parte líquida. Pero hay una forma de saber que parte de la sólida es A o B y qué parte de la líquida es A o B ( Regla de la horizontal ).

En el ejemplo del libro, tenemos un punto B. En este caso, por la horizontal llegamos a las líneas de solidus y liquidus.

En la de solidus ( izquierda ) tenemos que hay un 75 % de A y un 25 de B

En la de liquidus, tenemos un 15% de A y un 85 de B.

Regla de los segmentos inversos

Se utiliza la regla de los segmentos inversos para hallar el tanto por 1 en peso de la fase líquida-sólida.

Para un punto situado en la bifase, tenemos:

Cla y Clb como porcentajes de liquido de A y B

Csa y Csb los porcentajes de sólido en A y B

y por último Wl tanto por 1 de la fase líquida y Ws el tanto por 1 de la fase sólida.

Vamos a deducir como obtener el porcentaje de líquido de la solución.

Se puede decir que:

El porcentaje de liquido total x el porcentaje de liquido de A +

El porcentaje de sólido x Porcentaje de sólido de A es el porcentaje total del elemento A

Esto es:

Wl * Cla + (1-Wl ) * Csa = Ca

de donde

wl = ( Csa - Ca ) / ( Csa - Cla )

Veamos el ejemplo de la pagina 71

Para la temperatura T2, tenemos que Csa = 85 y Cla = 35. Como el porcentaje total es 50 %, tenemos:

wl = (85 - 50) / (85 - 35 ) = 0.7 y por tanto ws es 0,3.

Si nos fijamos bien en el segmento, tenemos que dividimos el segmento desde el centro a el punto de sólido (Csa - Ca ) entre el segmento total ( Csa - Cla ). Por esto se llama regla de los segmentos inversos.

A mayor longitud el segmento que va a la línea de sólido, mayor porcentaje de líquido.

Aleaciones Eutécticas

Qué es la temperatura de solidificación sino la temperatura a la que ya " no se encuentra cómoda el material en estado líquido "

No tomemos esta definición como formal, pero si nos vale para entender un efecto curioso en aleaciones concretas.

Se da la circunstancia de que para una determinada composición existe una estabilidad asombrosa en estado líquido y por tanto se "retarda" el proceso de solidificación. A la temperatura a la que ocurre esto, se la denomina temperatura Eutéctica.

Veamos esto en un diagrama

Si el componente es puro (a la izquierda del diagrama), la temperatura de fusión ( TA ) es aprox 1380ºC.

Para B puro (a la derecha del diagrama) la fusión tiene lugar a 1485ºC.

Si añadimos algo de B a A, por ejemplo, un 20% ( flecha roja) la temperatura de fusión (cristalización) se acerca a los 1360ºC. Hemos conseguido reducir la temperatura a la que empieza la solidificación

Para una mezcla de 60% (flecha azul) en B, tenemos un proceso parecido.

Cuando la concentración , para esta aleación, es del 50%, tenemos la temperatura mas baja, dando lugar al punto Eutéctico.

ver procesos en

http://www.uned.es/cristamine/mineral/quimica/quim_term_diag.htm

 

Diagramas de equilibrio de aleaciones eutécticas con solubilidad parcial

En el diagrama de la página 74 tenemos dos un punto eutectico E y dos sólidos diferentes α y β, cada uno de ellos con mayor proporción de los elementos A y B, de forma que α tendrá mas elemento A y β mas del B.

El gráfico anterior corresponde a dos elementos que no son nada soluble, y esto no es lo normal.

En el tipo I, se produce la solidificación a T constante con formación de compuesto α y β. Estos compuestos van cambiado su composición según se enfrían ( aplicar regla de segmentos inversos )

Para el tipo III. En este caso, en T2 se produce solidificación , formándose sólido de tipo α, terminado en T3, sin producirse el elemento β.

Ejemplo:

Sobre el diagrama de fases Cu-Ag, averiguar:

a) Rango de aleaciones que sufrirán la transformación eutéctica.

b) Si la aleación tiene un 30% de Ag, calcular que composición y que proporción de fases se tiene para las temperaturas de 500 y 900°C .

c) Representar gráficamente la estructura a 500°C.

Solución:

a) Las transformación eutéctica ocurre cuando la mezcla atraviesa la isoterma eutéctica de 780°C., por tanto son todas las aleaciones que van desde el 7.9% hasta 91.2% de Ag.

 

 

b)

Empecemos a la temperatura de 900°C:
La aleación en estado bifásico con L + compuesto a. Para calcular la composición, trazamos la isoterma. El punto de corte col las líneas de solidus y liquidus nos dan los valores

 

Fases

a

L

Composición

7% Ag

41% Ag

Proporción

(41-30)/(41-7)= 32.35 %

(30-7)/(41-7)= 67.65 %

 

A 500ºC, la aleación ya es sólida, con compuestos a + b. Trazamos la horizontal hasta llegar a la líneas de a por la izquierda y b por la derecha.

A partir de los valores de composición pueden calcularse las proporciones de cada fase, aplicando la regla de la palanca:

 

Fases

a

b

Composición

3% Ag

98% Ag

Proporción

(98-30)/(98-3) = 71.58 %

(30-3)/(98-3) = 28.42 %

Si seguimos aplicando la regla de la palanca a una temperatura inferior, tendríamos que la composición del material cambaría. Tendríamos mas b en detrimento de la a.

c)

Qué tenemos a 500°C ?.

Anteriormente hemos calculado la cantidad exacta de cada fase y composición. Ahora debemos averiguar cómo se distribuyen éstas fases.

La aleación sufre una transformación eutéctica y por tanto, e la estructura estará formada por:

 

granos de a , que solidifican en el seno del líquido al enfriarse entre los 940 y los 780°C.

 

granos de mezcla eutéctica, cuando solidifica la ultima parte de líquido, de composición eutéctica.


Un calculo muy aproximado se puede obtener aplicando la regla de la palanca entre la línea de la izquierda y el punto de composición eutéctica: 71.9% Ag.

Constituyentes:

a

E

Proporción: (71.9-30)/(71.9-3) = 60.81 % (30-3)/(71.9-3) = 39.19 %

Vista de los granos

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