DIAGRAMA DE FASESDEFINICIONLos diagramas de fase son representaciones grficas de cuales fases estn presentes en un sistema material en funcin de la temperatura, la presin y la composicin. Son representaciones grficas de las condiciones termodinmicas de equilibrio. El estado de equilibrio de un sistema es aquel en el cual sus propiedades no cambian con el tiempo, a menos que se ejerza una alteracin de la temperatura, la presin o la composicin, o la aplicacin de fuerzas externas de tipo elctrico, magntico, etc.

La base de todo el trabajo sobre los diagramas de equilibrio es la regla de fases de Willard ibbs.

El diagrama, tambin conocido como diagrama de fase o diagrama de equilibrio es esencialmente una expresin grfica de la regla de fases. La ecuacin siguiente presenta la regla de fases en la forma matemtica usual:

F + L = C + 2

Donde: C: Nmero de componentes del sistemaF: Nmero de fases presentes en el equilibrioL: Varianza del sistema (grados de libertad)

CONCEPTOSComponente: Los componentes son metales puros, compuestos o ambos, de los cuales se compone una aleacin. Por ejemplo, en un latn Cu-Zn, los componentes son cobre y zinc.Sistema: Puede hacer referencia a dos significados. En primer lugar, puede referirse a un cuerpo especfico de material en estudio (por ejemplo, una cuchara de acero fundido). O bien, puede referirse a una serie de posibles aleaciones de los mismos componentes, pero sin considerar la composicin de la aleacin (por ejemplo, el sistema hierro-carbono).Soluto: Componente o elemento de una disolucin presente en una composicin menor. Se disuelve en el disolvente.Solvente: Componente o elemento de una disolucin presente en una composicin mayor. El solvente disuelve al soluto.Lmite de solubilidad: Es la concentracin mxima de soluto que se puede aadir sin que se forme una nueva fase.Disolucin slida: Consiste en tomos de por lo menos dos tipos diferentes, en donde los tomos de soluto ocupan posiciones sustituciones o intersticiales en la red del disolvente, conservando la estructura cristalina del disolvente.Fase: Es una porcin homognea de un sistema que tiene caractersticas fsicas y qumicas uniformes. Todo material puro es de una fase (monofsico), al igual que cualquier disolucin slida, lquida o gaseosa. Por ejemplo, una disolucin lquida de azcar en agua es de una sola fase. Una disolucin sobresaturada de azcar en agua tiene dos fases: azcar (slida) y la solucin de azcar en agua (lquida). Tambin, una sustancia puede existir en dos o ms formas polimrficas (por ejemplo, si tiene estructuras cbica de cuerpo centrada y cbica de caras centrada). Cada una de estas estructuras es una fase separada porque sus caractersticas fsicas respectivas son diferentes.Energa Libre: Es una propiedad termodinmica, funcin de la energa interna de un sistema y su entropa (aleatoriedad o desorden de los tomos o molculas del sistema).Sistema en Equilibrio: Un sistema se dice que est en equilibrio si su energa libre es mnima, para una combinacin especfica de presin, temperatura y composicin. Desde el punto de vista macroscpico, significa que las caractersticas del sistema no cambian con el tiempo. Es decir, el sistema es estable. Un cambio de temperatura, presin y/o composicin en un sistema en equilibrio, conducir a un aumento en la energa libre y a un posible cambio espontneo a otro estado de menor energa libre.Equilibrio metaestable: En algunos sistemas slidos, la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio (estado de mnima energa) es tan lenta que no siempre se logra en un tiempo razonable. En estos casos, y a los fines prcticos, el sistema logra un equilibrio metaestable que puede persistir indefinidamente, o bien, experimentan cambios muy ligeros o casi imperceptibles a medida que pasa el tiempo. Un ejemplo de equilibrio metaestable es el diamante (la forma estable es el grafito).

Microestructura: Se refiere a la estructura que se revela por observacin microscpica directa, por medio del microscopio ptico o electrnico. Una microestructura se caracteriza por el nmero de fases presentes, sus proporciones y la manera en que se distribuyen. La microestructura de una aleacin depende de: elementos aleantes presentes, concentraciones, temperatura y tratamiento trmico de la aleacin.

DIAGRAMA DE FASES DE UN SOLO COMPONENTELos diagramas de fases de esta seccin corresponden para una sustancia pura (la composicin se mantiene constante). Esto significa que las nicas variables de inters son la presin y la temperatura. Por ello, estos diagramas se conocen como diagrama P-TEl diagrama P-T del agua se muestra en la Figura 1, donde se observan regiones para tres fases diferentes: slido, lquido y vapor. Cada una de las fases existe en condiciones de equilibrio a travs de los intervalos presin-temperatura de su rea correspondiente.Cada una de las tres curvas de este diagrama (aO, bO y cO) son lmites de fases. Cualquier punto de estas curvas representa un equilibrio entre las dos fases a cada lado. Tambin, al cruzar una lnea (al variar la presin o la temperatura), una fase se transforma en otra. Por ejemplo, a una presin de 1 atm, durante el calentamiento, ocurrir la fusin del hielo a 0C y posteriormente la vaporizacin del lquido a 100C

Diagrama de fases de Presin-Temperatura para el agua.

Curva de Enfriamiento de un componente puroEl anlisis trmico es el estudio de la variacin de temperatura que experimenta un metal o aleacin durante su calentamiento o enfriamiento. Si se suministra calor a un material metlico, ste experimentar un aumento de temperatura. Con cantidades de calor constante por unidad de tiempo se tendr una elevacin continua de temperatura en el material, siempre que ste no experimente transformacin alguna. La representacin grfica de la variacin de la temperatura del material con el tiempo se denomina curva de calentamiento o curva de enfriamiento. Un metal que no experimenta transformacin alguna en el rango de temperaturas consideradas, posee las curvas de calentamiento y enfriamiento.

Curva de calentamiento (izq) y de enfriamiento (der) de un sistema sin cambio de fases.

Las transformaciones de fases ocurren generalmente con absorcin o desprendimiento de energa. Si durante el enfriamiento de un metal ste pasa por una temperatura a la cual ocurre un cambio microestructura, su curva de enfriamiento presentar una inflexin. As, por ejemplo, la curva de enfriamiento de un metal puro presenta una meseta que corresponde a su temperatura de solidificacin. Una vez completada la solidificacin, la curva de enfriamiento contina su descenso.

Izq. Curva de enfriamiento de un metal puro. Izq. Se muestra la meseta durante la solidificacin. Der. Su enfriamiento necesario para comenzar la solidificacin.

En la prctica suele necesitarse un pequeo sub enfriamiento para lograr el comienzo de la solidificacin. Una vez comenzada la cristalizacin, la temperatura sube hasta el valor que le corresponde y se mantiene constante durante toda la solidificacin. Luego sigue el enfriamiento, ya en fase slida.

DIAGRAMA DE FASES BINARIOSLos diagramas de fases binarios tienen slo dos componentes. En ellos la presin se mantiene constante, generalmente a 1 atm. Los parmetros variables son la temperatura y la composicin.Los diagramas de fases binarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura, composicin y cantidad de fases en equilibrio, las cuales influyen en la microestructura de una aleacin. Muchas microestructuras se desarrollan a partir de transformaciones de fases, que son los cambios que ocurren entre las fases cuando se altera la temperatura (en general, en el enfriamiento). Esto puede implicar la transicin de una fase a otra, o la aparicin o desaparicin de una fase.

Sistemas Isomorfos BinariosLos sistemas binarios se denominan isomorfos cuando existe solubilidad completa de los dos componentes en estado lquido y slido. Para que ocurra solubilidad completa en estado slido, ambos elementos aleantes deben tener la misma estructura cristalina, radios atmicos y electronegatividades casi iguales y valencias similares. ste es el caso del sistema Cobre-Nquel.

Izquierda: Diagrama de Fases para el sistema Cobre-Nquel. Derecha: Parte del diagrama de fases del sistema Cu-Ni ampliado en el punto B.

En el diagrama aparecen tres regiones o campos de fases. Un campo alfa (), un campo lquido (L) y un campo bifsico ( + L). Cada regin est definida por la fase o fases existentes en el intervalo de temperaturas y composiciones acotadas por los lmites de fases.El lquido L es una disolucin lquida homognea compuesta de cobre y nquel. La fase es una disolucin slida sustitucional que consiste de tomos de Cu y Ni, de estructura cbica de caras centrada. A temperaturas inferiores a 1080C, el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado slido para todas las composiciones, razn por la cual el sistema se denomina isomorfo.El calentamiento del cobre puro corresponde al desplazamiento vertical hacia arriba en el eje izquierdo de temperaturas. El cobre permanecer solido hasta que alcance su temperatura de fusin (1085C), en donde ocurrir la transformacin de slido a lquido. La temperatura no se incrementar hasta tanto no termine la fusin completa de todo el slido.En una composicin diferente a la de los componentes puros, la fusin ocurrir en un intervalo de temperaturas entre lquidos y slidos. Ambas fases (slido y lquido) estarn en equilibrio dentro de este intervalo de temperaturas

DETERMINACIN DE CANTIDADES RELATIVAS DE CADA FASE (REGLA DE LA PALANCA INVERSA)

Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleacin

Considere el diagrama de fases del cobre-nquel y la aleacin de composicin C0 a 1250C, donde C y CL representan la concentracin de nquel en el slido y en el lquido y W y WL las fracciones de masa de las fases presentes.

La deduccin de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de conservacin de la masa: En primer lugar, tratndose de una aleacin bifsica, la suma de las fracciones de las fases presentes debe ser la unidad:

En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir con la masa total de la aleacin

Las soluciones simultneas de estas dos ecuaciones conducen a la expresin de la regla de la palanca para esta situacin particular

En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:

Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier regin de dos fases de un diagrama de fases binario. Se utiliza para calcular la fraccin relativa o porcentual de una fase en una mezcla de dos fases. Los extremos de la palanca indican la composicin de cada fase (es decir, la concentracin qumica de los distintos componentes) Ejemplos: 1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni que se adjunta, describir el enfriamiento lento de una aleacin de 30% de Ni y determinar su composicin a 1200 C. 2. Una aleacin compuesta de 2 kg de Cu y 2 kg de Ni se fundi y posteriormente se enfri lentamente hasta 1300 C. Utilizando el diagrama de equilibrio Cu-Ni, calcular la concentracin y el peso de las fases presentes a dicha temperatura. 3. En el sistema Cu-Ni, haga el anlisis de fase para una aleacin 50% de Cu a: 1400 C, 1300 C, 1200 C y 1100 C.

REGLA DE LAS FASES DE GIBBSLa construccin de los diagramas de fases, as como algunos de los principios que gobiernan las condiciones de equilibrio de fases, estn regidos por las leyes de la termodinmica. Una de stas es la regla de las fases de Gibbs. Esta regla representa un criterio para el nmero de fases que coexisten dentro de un sistema en equilibrio, y se expresa mediante la siguiente ecuacin:

L = C F + N

Donde:L: es el nmero de grados de libertad o nmero de variables controladas externamente que deben especificarse para definir completamente el sistema. Dicho de otra forma, es el nmero de variables que pueden cambiarse independientemente sin alterar el nmero de fases que coexisten en equilibrio.C: es el nmero de componentes en el sistema. En general, los componentes son compuestos estables. En el caso de los diagramas de fases, son los dos materiales en los extremos del eje horizontal de composicin.F: es el nmero de fases presentes.N: es el nmero de variables diferentes de la composicin (es decir, presin y temperatura).

Adems, dado que la presin se mantiene siempre constante, resulta que para el estudio de diagramas de fases N=1.

A continuacin, se aplicar la regla de las fases a los sistemas binarios. Cuando se estudia diagrama de fases, la presin es contante e igual a 1 atm. Luego, N = 1 ya que la temperatura es la nica variable no composicional. De esta forma,L = C F + 1El nmero de componentes es siembre 2 (sistemas binarios), por lo que C = 2.

L = 2 F + 1L = 3 - FEsto significa que para el estudio de diagramas de fases binarios, a presin constante, el nmero de variables que debe fijarse externamente para definir completamente el sistema (L) depende de la cantidad de fases (F) que coexisten en equilibrio.Caso 1. Campos monofsicos (por ejemplo , o regiones lquidas). C=2, F=1, L=2. Esto significa que es necesario especificar dos parmetros para poder describir completamente las caractersticas de cualquier aleacin de dos componentes y que se encuentre en un campo monofsico. Estos parmetros son composicin y temperatura.

Caso 2. Campos bifsicos (por ejemplo +, +L o +L). C=2, F=2, L=1. Es decir, es necesario especificar la temperatura o la composicin de una de las fases para definir completamente el sistema. Como ejemplo, considerar la regin ( + L) del sistema Cu-Ag de la Figura 22. Si lo que se especifica es la temperatura, por ejemplo T1, entonces queda inmediatamente determinado que la aleacin con fases + L en equilibrio tendr slido de composicin C y lquido de composicin CL. De esta forma, queda completamente definido al sistema. Se debe destacar que en este marco conceptual, el sistema queda completamente definido por la naturaleza de las fases y no las cantidades relativas. Esto quiere decir que la composicin total de la aleacin podra localizarse en cualquier punto a lo largo de la isoterma T 1 y proporcionar de cualquier modo las mismas composiciones de equilibrio C y CL para las fases que coexisten en equilibrio.

Si en vez de especificar la temperatura se especifica la composicin de una de las fases, por ejemplo, la composicin del lquido (CL), entonces ya queda automticamente definido el sistema, dado que el nico slido que puede estar en equilibrio con CL es slido de composicin C. Nuevamente, ambas fases estarn a una temperatura T1 segn la isoterma que pasa por ambas composiciones.

Extremo rico en Cu del Sistema Mg-Pb.

Caso 3. Campos con tres fases en equilibrio. Corresponde a las reacciones descriptas en la seccin 3.4. C=2, F=3, L=0. Esto significa que si un sistema binario presenta una reaccin que involucra tres fases en equilibrio, entonces la temperatura de la reaccin y las composiciones de cada una de las tres fases es nica para cada sistema.