Diagrama de equilibrio o fases Origen Tipos y Aplicabilidad

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Extensión COL- Sede Ciudad Ojeda
Diagrama de equilibrio o Fases
Nombre
Angel Ramos C.I 27.821.174 # 46
Materia
Ciencias de los Materiales
Ciudad Ojeda- Estado Zulia 08-07-2020

2. Diagrama de equilibrio o fases
Los diagramas de fase son representaciones gráficas de cuales fases están
presentes en un sistema material en función de la temperatura, la presión y
la composición. Son representaciones gráficas de las condiciones
termodinámicas de equilibrio
El diagrama, también conocido como diagrama de fase o diagrama de
equilibrio es esencialmente una expresión gráfica de la regla de fases. La
ecuación siguiente presenta la regla de fases en la forma matemática usual
F + L = C + 2
Donde:
C: Número de componentes del sistema
F: Número de fases presentes en el equilibrio
L: Varianza del sistema (grados de libertad)
SISTEMA: cualquier porción del universo material que pueda aislarse
completa y arbitrariamente del resto, para considerar los cambios que
puedan ocurrir en su interior y bajo condiciones variantes.
FASE: cualquier porción del sistema físicamente homogénea y separada por
una superficie mecánicamente separable de otras porciones. Por ejemplo, un
vaso de agua con cubos de hielo constituye dos fases distintas de una
misma sustancia (agua). Los cubos de hielo son una fase sólida y el agua
líquida es una fase líquida.
COMPONENTES: el menor número de variables individuales independientes
(vapor, líquido o sólido) por medio de los cuales la composición del sistema
puede expresarse cuantitativamente. Normalmente un componente es un
elemento, compuesto o solución del sistema. Así por ejemplo, el vaso de
agua con cubos de hielo, es un sistema en el que hay dos fases pero una
sola componente
VARIANZA DEL SISTEMA (GRADOS DE LIBERTAD): Es el número de
variables (Presión, temperatura y composición) que se pueden cambiar
independientemente sin alterar el estado de la fase o de las fases en
equilibrio del sistema elegido. Es la aplicación de la regla de las fases al tipo
de sistemas bajo consideración. El número de las variables, las cuales se
fijan de manera arbitraria para definir completamente el sistema, se llama
varianza o grados de libertad del sistema

3. Origen de los diagramas de equilibrio o fase
Los diagramas de fase son una de las herramientas más poderosas en el
estudio del desarrollo de la micro estructura. Un diagrama de fases está
constituido por la información derivada de los principios termodinámicos,
particularmente destacado a determinado rango de composición, y
presentado de una forma que facilita su interpretación. El diagrama muestra
las fases que están presentes en condiciones de equilibrio, la composición
de las fases sobre un rango de temperaturas y presiones. Normalmente (y
así será en la mayoría de los ejemplos de este curso), no tenemos en cuenta
el efecto de la presión sobre el equilibrio termodinámico de las fases
presentes, ya que habitualmente lo hacemos con fases condensadas (sólido
o líquido) en sistemas a presión atmosférica
En la discusión que prosigue debemos tener en cuenta que las leyes de la
termodinámica nos indican que debe suceder, identificando los niveles de
menor energía, sin indicar cómo o cuando sucederá o si sucederá. A
menudo, hacemos la suposición que el sistema tiene al menos suficiente
tiempo como para alcanzar el equilibrio local en la interface sólido-líquido, si
no en todo el sistema. Esto nos permite utilizar los diagramas de fase de
equilibrio, aún cuando el transporte sea incompleto. Las herramientas
fundamentales a ser utilizadas son la regla de la tangente, para definir
condiciones de equilibrio y la denominada regla de fases de Gibbs
Tipos de diagramas de equilibrio o fases
Diagrama de Fases Binarios
Los diagramas de fases binarios tienen sólo dos componentes. En ellos la
presión se mantiene constante, generalmente a 1 atm. Los parámetros
variables son la temperatura y la composición. Los diagramas de fases
binarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura,
composición y cantidad de fases en equilibrio, las cuales influyen en la micro
estructura de una aleación. Muchos micros estructuras 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 transición de una fase a otra, o la aparición o desaparición
de una fase
Sistemas Isomorfos Binarios
Los sistemas binarios se denominan isomorfos cuando existe solubilidad
completa de los dos componentes en estado líquido y sólido. Para que

4. ocurra solubilidad completa en estado sólido, ambos elementos aleantes
deben tener la misma estructura cristalina, radios atómicos y
electronegatividades casi iguales y valencias similares. Éste es el caso del
sistema Cobre-Níquel.
En el diagrama aparecen tres regiones o campos de fases. Un campo alfa
(α), un campo líquido (L) y un campo bifásico (α + L). Cada región está
definida por la fase o fases existentes en el intervalo de temperaturas y
composiciones acotadas por los límites de fases. El líquido L es una
disolución líquida homogénea compuesta de cobre y níquel. La fase α es
una disolución sólida sustitucional que consiste de átomos de Cu y Ni, de
estructura cúbica de caras centrada. A temperaturas inferiores a 1080°C,
el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido para todas las
composiciones, razón 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 permanecerá
solido hasta que alcance su temperatura de fusión (1085°C), en donde
ocurrirá la transformación de sólido a líquido. La temperatura no se
incrementará hasta tanto no termine la fusión completa de todo el sólido.
En una composición diferente a la de los componentes puros, la fusión
ocurrirá en un intervalo de temperaturas entre liquidas y solidas. Ambas

5. fases (sólido y líquido) estarán en equilibrio dentro de este intervalo de
temperaturas
Sistemas Eutécticos Binarios
En el diagrama se identifican tres regiones monofásicas: α, β y líquido. El
sólido α es una solución sólida rica en cobre, tiene plata como soluto y la
estructura cristalina es cúbica de caras centrada. El sólido β es una
solución sólida rica en plata, tiene cobre como soluto y la estructura
cristalina también es cúbica de caras centrada. Cada uno de los sólidos α
y β tienen solubilidad limitada, ya que para una temperatura inferior a la
línea BEG, sólo se disolverá en el cobre una cantidad limitada de plata
(para formar la fase α) y viceversa. La línea CB, conocida como solvus,
separa las regiones de fases α y (α + β) y representa el límite de
solubilidad de plata (soluto) en cobre (solvente).
La solubilidad máxima de plata en cobre se alcanza en el punto B (a
779°C, 8%wtAg). Análogamente, la línea GH también se conoce como
solvus y representa el límite de solubilidad de cobre (soluto) en plata
(solvente). La solubilidad máxima de cobre en plata se alcanza en el
punto G (a 779°C, 91.2%wtAg). Las solubilidades de ambas fases sólidas
disminuyen para temperaturas mayores o menores a 779°C. Esta
temperatura se denota como TE y corresponde a la temperatura del
eutéctico
La línea BEG es paralela al eje de composiciones y se extiende entre los
límites máximos de solubilidad de cada fase sólida. Junto con las líneas
AB y FG, representan la línea solidus y corresponde a la temperatura más
baja a la cual puede existir fase líquida para cualquier composición de Cu
y Ag en equilibrio.

6. En el sistema Cu-Ag existen tres regiones bifásicas: (α + líquido), (β +
líquido) y (α + β). Las composiciones y cantidades relativas de cada fase
pueden determinarse según isotermas y regla de la palanca inversa. Al
agregar plata al cobre, la temperatura a la cual las aleaciones se hacen
totalmente líquida disminuye a lo largo de la línea liquidas (línea AE). De
este modo, la temperatura de fusión del cobre disminuye a medida que se
le agrega plata. Lo mismo ocurre con la plata cuando se le agrega cobre
sobre la línea FE. Estas líneas liquidus se unen en el punto E del
diagrama de fases, a través de la cual también pasa la isoterma BEG
(también conocida como isoterma eutéctica). El punto E se denomina
punto invariante, el cual está designado por la composición eutéctica CE
y la temperatura eutéctica TE.
Sistemas con Compuestos Intermedios.
Primero se describe qué es un compuesto. La mayoría de los compuestos
químicos son combinaciones de elementos con valencia positiva y
negativa. Las diversas clases de átomos se combinan en una proporción
definida, expresada mediante una fórmula química. Ejemplos típicos son
el agua (H2O) y la sal de mesa (NaCl). Los átomos combinados para
formar la molécula se mantienen juntos por medio de un enlace definido.
El enlace suele ser fuerte y los átomos no se pueden separar fácilmente.
Cuando se forma un compuesto, los elementos pierden en gran medida
su identidad individual y sus propiedades características. Por ejemplo, el
sodio es un metal muy activo que se oxida rápidamente, razón por la cual
se lo almacena en kerosene. El cloro es un gas venenoso. Sin embargo,
un átomo de cada uno de ellos se combina para formar un compuesto
inofensivo, la sal común de mesa. Particularmente en las aleaciones, los
compuestos químicos pueden ser estequiométricos o no. Si son
estequiométricos, tienen una fórmula química definida. O bien, puede
ocurrir un grado determinado de sustitución atómica que da lugar a
desviaciones con respecto a la estequiometria. En un diagrama de fases,
los compuestos que aparecen como una sola línea vertical son los
compuestos estequiométricos.
Los compuestos que aparecen como un intervalo de composición son los
no estequiométrico. Los compuestos poseen, en su mayoría, una mezcla
de enlaces metálicos-iónicos o metálicos-covalentes. El porcentaje de
enlaces iónicos o covalentes depende de la diferencia en
electronegatividades de los elementos participantes. Los compuestos
más comunes que se encuentran en las aleaciones son:

7. Compuestos intermetálicos:
Se forman por metales no similares químicamente y se combinan
siguiendo las reglas de valencia química. Suelen tener un enlace fuerte
(iónico o covalente) y sus propiedades son esencialmente no metálicas.
Por lo general no son dúctiles y tienen baja conductividad eléctrica.
Pueden tener estructuras cristalinas complejas. Ejemplos de compuestos
intermetálicos son: CaSe, Mg2Pb, Mg2Sn y Cu2Se
Compuestos intersticiales:
Se forman por la unión entre elementos de transición (Ti, Ta, W, Fe) con
elementos intersticiales (C, H, O, N, B). Éstos últimos son llaman
intersticiales por su pequeño tamaño, comparado con los intersticios de
las estructuras cristalinas de los elementos de transición. Adicionalmente
al compuesto intersticial, estos átomos pequeños forman soluciones
sólidas intersticiales con cada uno de estos elementos de transición. Los
compuestos intersticiales pueden tener intervalos de composición muy
reducidos, altos puntos de fusión y son extremadamente duros. Ejemplos
de ellos son: TiC, TaC, Fe3N, Fe3C, W2C, CrN, TiH. Muchos de estos
compuestos son útiles para el endurecimiento del acero y en las
herramientas de carburo cementado. Considerar como ejemplo el sistema
Mg-Pb. El compuesto Mg2Pb tiene una composición de 19%wt de Mg y
81%wt de Pb. Se lo representa como una línea vertical en el diagrama,
dado que este compuesto sólo existe a esta composición química
definida. Puede pensarse este diagrama de fases como dos diagramas
eutécticos simples adyacentes, uno para el sistema Mg-Mg2Pb, y el otro
para Mg2Pb-Pb. En ambos casos, el compuesto Mg2Pb se considera
realmente como un componente, o mejor, llamado “compuesto”. La
cementita (Fe3C) es un compuesto intermetálico que se presenta en los
aceros. Dado que tiene gran importancia, se lo desarrollará con mayor
profundidad en una sección posterior.

8. Sistemas Binarios con Reacciones de tres Fases Existen sistemas
binarios que contienen reacciones de tres fases independientes, que se
encuentran en equilibrio a una temperatura y composición definida para
ese sistema. En la Tabla 1 se mencionan otras cuatro reacciones
análogas. Cada una de estas reacciones puede ser identificada en un
diagrama de fases mediante el siguiente procedimiento:
1. Localizar 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. Localizar tres puntos en la línea horizontal: Los dos extremos, y el
tercer punto que generalmente se encuentra cerca del centro de la línea
horizontal. El punto central indica la composición a la cual ocurre la
reacción de tres fases.
3. Identificar las fases presentes justo arriba y justo abajo del punto
central y escribir en forma de reacción las fases que se transforman en un
enfriamiento (es decir, al pasar de las fases de arriba a las fases de abajo
del punto central).
4. Identificar esta reacción con las que se muestran en la Tabla 1
Tabla 1. Reacciones de tres fases de mayor importancia en diagramas de
fases binarios. Cada una de estas reacciones de tres fases ocurre a una
temperatura y composición fijas. En estos casos, la regla de las fases de
Gibbs (a presión constante) es: L = C – F + 1 = 2 – 3 + 1 = 0 Esto significa

9. que cuando hay tres fases en equilibrio en un sistema binario, no hay
grados de libertad. La temperatura y composición de cada fase es
constante, situación que se mantiene mientas existan las tres fases en
equilibrio.
Aplicación de los diagramas de equilibrio o fase
Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas
multicomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología y
ciencia de los materiales. Por otra parte, los diagramas de fases son de
gran importancia pues apoyan, entre otros, estudios de solidificación,
micro estructura, metalurgia física y el "diseño de nuevos materiales".