1. Sistema
1.a) Un material, cuerpo en ciertas condiciones externas (ej.: probeta de ensayo de tensión). b) Una serie de posibles compuestos (aleaciones) de los mismos componentes. Ej: sistema Cu-Ni o Fe-C.
2. Componente
Un elemento o compuesto, formando una aleación Ej.: Dos componentes en un latón son Cu y Zn
3. Fase
Una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y/o químicas uniformes diferentes de otras partes y que está limitada por cierta superficie (frontera). En la frontera de las fases aparece un cambio discontinuo de las propiedades del sistema. Ej: sistema H2O agua-hielo.
4. Soluto
Átomos de componente presente en menor concentración (Ej: impurezas). 5. Solvente: elemento o compuesto presente en mayor cuantía.
6. Solución sólida
Se forma cuando al añadir los átomos de soluto en un material solvente sólido su estructura cristalina se mantiene y no se forma ninguna otra nueva estructura 7. Solubilidad total En una solución sólida la estructura, la composición y las propiedades son uniformes en todo el material para todas las concentraciones de soluto y solvente. Un sistema binario (de dos componentes) con solubilidad total es un sistema isomorfo Ej: El sistema Cu-Ni tiene solubilidad total, los átomos del Ni y Cu ocupan las posiciones de una misma red cristalina de forma aleatoria, formando una única fase.
8. Solubilidad limitada
Sólo una cantidad concreta de una sustancia, se puede disolver en la otra. Ej: sistema agua-azucar (jarabe) Ej: En el sistema CuZn, si la cantidad de Zn excede el 30% se forma una nueva fase CuZn, hay una coexistencia de dos fases sólidas, Cu-Ag Transformaciones de fase: Definiciones y ejemplos.
9. Límite de solubilidad
La adición de un exceso de soluto forma otra solución sólida o un nuevo compuesto con una composición y estructura cualitativamente diferentes La solubilidad de una sustancia en otra depende de factores intrínsecos y extrínsecos: los radios atómicos, la estructura cristalina, la configuración electrónica y de la temperatura.
10. Transformaciones de fase
Materiales metálicos: Para que haya solución sólida entre dos elementos, se deben cumplir algunas de las reglas (reglas de Hume-Rothery) que definen las condiciones de existencia de una solución sólida: 1.La estructura cristalina de los dos elementos debe ser la misma. 2.El radio de los dos elementos no debe diferir en más de un 15%. 3.No debe haber diferencias significativas entre las electronegatividades de los dos elementos. 4.Los elementos deben tener la misma valencia.
11. Equilibrio, estabilidad, transformación de fase
Las condiciones del equilibrio de las fases y su estabilidad dependen de la energía libre de Gibbs de las fases.
12. Cambio o transformación de fase
Se da cuando al variar las condiciones externas cambia la diferencia de energía libre de Gibbs entre las dos fases de positiva a negativa. Ej. de transiciones de fase: de sólido a líquido, transformaciones alotrópicas, sedimentación.
13. Equilibrio entre dos o más fases
Se da cuando las energías libre de Gibbs son iguales, las fases conviven indefinidamente. Ej. de equilibrio: en el caso del agua a presión atmosférica, la temperatura de T=0ºC hay equilibrio entre el hielo y el agua líquida
14. Diagrama de fase
(diagramas de equilibrio, diagramas constitucionales): representan las fases que se encuentran en un sistema en función de los parámetros intrínsecos (la composición del material) y extrínsecos (temperatura, presión,….). Sustancias puras (de un componente, C = 1): los diagramas P-T: presión-temperatura. Ej: diagrama P-T del agua. 14.1.Tres fases: sólida (hielo), líquida (agua) y gaseosa (vapor), en tres zonas F=1. 14.2.Tres líneas de equilibrio (agua-vapor,…) los puntos de tres líneas F=2. 15.Punto triple: Equilibrio sólido-líquido-vapor, en este punto F=3
15. Diagrama de fase binarios
15.1.Sistema isomorfo?: Posee una solubilidad total, no tiene el límite de solubilidad. Ej: Sistema Cu-Ni. a)El caso más sencillo de sistemas binarios T-Y, C-X. b)Las líneas continuas delimitan las fases existentes en los tramos de T y C.
15.2.Sistema eutéctico?
: Posee la solubilidad limitada. -Si excedemos el límite de solubilidad, se forma una segunda fase. -Tiene un mínimo de Tm en función de composición. Ej: Sistema Cu-Ag.
16.Diagramas de fase de sistemas binarios (de dos componentes) a)Se representan las diferentes fases y sus composiciones en equilibrio en función de la temperatura (eje Y). b)La composición (eje X) se puede dar de dos maneras diferentes: -Porcentaje atómico: indica cuantos átomos de componente B hay en la mezcla de 100 átomos de A y B. -Porcentaje en peso: indica cuantos gramos de B hay en una mezcla de 100 gramos de A y B. c)Se suele representar a presión constante atmosférica. 16.1.Diagrama de fase isomorfo: El caso más sencillo de sistemas binarios T-Y, C-X. -Las líneas continuas delimitan las fases existentes en los tramos de T y C. Ej: Cu-Ni, Si-Ge. Punto A: la zona monofásica de la fase α, solución sólida con la estructura CCC. Punto B: la zona bifásica, mezcla de la fase sólida α y de la fase líquida L. Comentario general: Los diagramas de fase. -Aportan información acerca de las características del equilibrio del sistema, pero. -No indican el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio. -Suministran la información siguiente: -Fases presentes. -Composición de fases. -La cantidad de fases. a)Línea de líquidus: Temperatura por encima de la cual todo el material es líquido. b)Línea de solidus: Temperatura por debajo de la cual todo el material es sólido. c)Diagrama de fase isomorfo equilibrio: fases presentes en un sistema hipotético AB de componentes A y B con concentraciones X% (B) y (100-X)% (A). Consideramos: un proceso de solidificación en equilibrio (la temperatura cambia muy lentamente, permitiendo que el sistema siempre llegue al equilibrio): 1.Líquido. 2.Núcleo de sólido. 3.Crecimiento de la fase sólida. 4.Fase sólida homogénea. d)Composición de cada fase(en la zona bifásica): -Composición del líquido igual a la global. -A cada T, el sólido y el líquido tienen composiciones diferentes!!! -Recta de reparto: la recta horizontal que cruza las líneas de líquidus y sólidus -Concentración de líquido y sólido: los puntos de intersección de la recta de reparto con Liquidus y Solidus. e)Regla de la palanca: Sirve para determinar el porcentaje de cada fase presente en una T determinada. Funciona tanto para el % atómico como el % en peso. f)Composición de las fases: -Las partes monofásicas de diagrama: la composición del líquido y la aleación es igual a la composición global. -La parte bifásica de diagrama: las composiciones del líquido y del sólido se determinan a partir de los puntos donde la recta de reparto corta las líneas de líquidus y sólidus, respectivamente g)Cantidades relativas de fases: -La parte monofásica de diagrama: la fracción del líquido y sólido es 100% por encima de la línea de líquidus y por debajo de la línea de sólidus, respectivamente. -La parte bifásica de diagrama: la concentración de cada fase se determina a partir de la regla de palanca. h)Microestructuras en aleaciones isomorfas: La microestructura resultante depende fuertemente del proceso de solidificación: 2 casos:-Se mantiene el equilibrio de las fases (enfriamiento lento) en el sistema de Cu-35wt%Ni. a:Solución homogénea líquida de 65% de Cu y 35% Ni; b:Aparecen las primeras regiones pequeñas sólidas, con una composición de 49% Ni, muy diferente a la del líquido que se mantiene a 35%Ni. c:Las composiciones de líquido y sólido así como sus fracciones van variando; la composición total de la aleación se mantiene constante, pero los átomos de Cu y Ni se re-distribuyen de forma diferente entre las fases α y L. d:La solidificación se completa. La microestructura resultante es una solución sólida policristalina de composición uniforme, no modificada por enfriamiento posterior (e). Solidificación fuera del equilibrio (enfriamiento rápido). Los cambios de temperatura deben permitir el reajuste de concentraciones mediante la difusión en la fase sólida y la difusión mutua de las fases sólida y líquida a través de la interfaz sólido-líquido. -Solidificación fuera del equilibrio (enfriamiento rápido): Estructura nucleada:-b´: Temperatura más baja que en el estado de equilibrio => concentracíón de Ni es también más baja (46 wt% en lugar de 49wt%) -c´, d´: La fracción de la fase sólida crece, pero la difusión no es suficientemente intensa para tener la composición de la fase sólida uniforme: la parte central de las zonas sólidas tiene la concentración de Ni más alta -e´, f´: En la microestructura cristalizada la concentración de elemento con la temperatura de fusión más alta va disminuyendo desde el centro hacia el exterior del grano. -La distribución no uniforme de los elementos dentro del material cristalizado es la segregación: –La segregación es muy perjudicial para las propiedades mecánicas del material, ya que provoca una gran fragilidad. -La segregación se puede eliminar mediante un tratamiento a temperaturas elevadas en la fase sólida cerca a la línea de sólidus. -Este tratamiento es el tratamiento de homogeneización.
17.Diagramas de fase binarios con límites de solubilidad: existen como mínimo dos fases sólidas diferentes, α y β. 17.1.Hay reacciones características en sistemas binarios que incluyen tres fases diferentes Las más importantes reacciones que involucran 2 fases sólidas y 1 líquida son: a)Reacción eutéctica: es una reacción en la que el líquido se transforma en dos fases sólidas diferentes. L ⇔ sólida α + sólida β. b)Reacción peritéctica: una fase sólida y una líquida se transforman en otra fase sólida. L+sólida α ⇔ sólida β. 17.2.Hay reacciones características en sistemas binarios que incluyen tres fases diferentes: Las más importantes reacciones que involucran 3 fases sólidas son: a)Las reacciones eutectoide y peritectoide: Son como las reacciones eutéctica y peritéctica, pero en lugar del líquido hay tercera fase sólida implicada. Sólida α ⇔ sólida β + sólida γ. Sólida α + sólida β ⇔ sólida γ.
16.2.Diagrama de fases eutéctico en un sistema binario con la solubilidad limitada. a)Eje X – concentración (B en A o A en B), Eje Y – la temperatura. b)Aunque la solubilidad sólida de A en B (y viceversa) es limitada, se mantienen las fases de las soluciones sólidas de B en A (α) y de A en B (β). –Las tres zonas monofásicas: L:Líquido. α:Solución sólida rica en A. β:Solución sólida rica en B. -Las tres zonas bifásicas:-L+α:Líquido+Solución sólida de B en A. -L+β:Líquido+solución sólida de A en B. -α+β:Microestructura que contiene dos soluciones sólidas, α (B en A) y β (A en B). Como en los diagramas de fase isomorfos existen: -Las líneas líquidus: Separan la fase líquida L y las zonas bifásicas L+α y L+β. -Las líneas sólidus: Separan las fases α y β y las zonas bifásicas L+α y L+β –Las líneas adicionales: -Líneas de solvus: que separan las zonas monofásicas α y β y la zona bifásica α+β. –Isoterma eutéctica. es la línea horizontal tipo sólidus, pasa por el. -Punto invariante de eutéctica: Donde las tres fases coexisten, punto de reacción eutéctica, designado por la composición eutéctica CE y la temperatura de eutéctica TE Las concentraciones de CαE y CβE son las concentraciones de las fases α y β para la concentración total CE. -Al agregar B a A: la temperatura de fusión total disminuye. –Al agregar A a B: la temperatura de fusión total también disminuye. -Reacción eutéctica: en el punto E (durante enfriamiento y calentamiento): L(Ce) ⇔ α(Cαe)+β(Cβe). -Ejemplos: microestructuras en el sistema eutéctico Pb-Sn: -Las aleaciones con la concentración de estaño menor de 2% (peso) se cristalizan como una solución sólida homogénea estable a temperatura ambiente. -En las aleaciones con la concentración de estaño más alta (pero por debajo de 19%) se forma una solución sólida de Sn en Pb con precipitados ricos en Sn. -Composiciones: Eutéctica: L(61,9wt%Sn) ⇔ α(19wt%Sn)+β(97wt%Sn). Hipoeutéctica(hipereutéctica): -Estructura eutéctica: son las capas alternadas de las fases α y β (láminas).
18.Fases intermedias: Los casos más complicados: existen las fases intermedias, ej.: Cu-Zn. Las fases en el sistema Cu-Zn: 4 fases intermedias: β, γ,δ,ε, >10 zonas bifásicas y 2 soluciones sólidas terminales: α, η.
19.Fases terminales: Son las fases α y β en sistemas binarios eutécticos.