Campos, Diego Andrés Diagrama de Fases
- 1. Bachiller: Diego A. Campos C.I. 28.095.140 [email protected] Barcelona, 30 de mayo de 2020 INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” ESCUELA DE INGENIERIA MANTENIMIENTO MECÁNICO BARCELONA, ESTADO ANZOÁTEGUI
- 2. INTRODUCCIÓN Tradicionalmente, el tratamiento de los diagramas de fase ha sido esencialmente empírico, a pesar de que tienen un fundamento termodinámico bien definido (Restrepo, 1998). Teóricamente los diagramas de fase pueden ser obtenidos mediante relaciones termodinámicas, pero en la práctica el modelado preciso es bastante complejo y en la mayoría de los casos se necesitan datos termodinámicos que muchas veces no están disponibles (Restrepo, 1998). Por esta razón suelen usarse relaciones relativamente simples como base de modelos que permiten obtener los diagramas de fase. Por consiguiente, los diagramas indican que fases serán estables para cada temperatura y composición, donde se muestran las fases que están presentes en condiciones de equilibrio sobre un rango de temperatura y presión. Estos diagramas son una herramienta muy importante, ya que tiene la función de guía o mapa para poder encontrar la microestructura que debería existir para una composición dada y a una temperatura determinada. Siempre y cuando se le confiera el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio. En este informe se abordará fundamentalmente los diagramas de fase binarios, sus orígenes, clasificación y aplicación.
- 3. 1. Diagrama de fases o equilibrio Es un gráfico en cuyo eje vertical se mide la temperatura y en eje horizontal se mide el porcentaje en peso de los componentes que forman la aleación. Son representaciones gráficas de las fases presentes en un sistema material en función de la temperatura, la presión, y la composición, es decir, son la representación gráfica de las condiciones termodinámicas de equilibrio 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. A través estos diagramas se pueden obtener la siguiente información: Las fases presentes en la aleación en función de la temperatura y la composición química Averiguar la solubilidad, en estado sólido y en equilibrio, de un elemento en otro La cantidad de cada fase, en fracción o porcentaje, con respecto a la masa total de la aleación Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases 2. Orígenes Los diagrama de fase tienen gran relación con la ciencia de los materiales y la termodinámica, estos surgieron después de la segunda guerra mundial, como respuesta a la necesidad de producir materiales con propiedades especializadas. Los primeros intentos de modificar científicamente las propiedades de la materia se remontan a principios del siglo XX, cuando los conocimientos de cristología, estado sólido y física atómica convirtieron el arte de la
- 4. metalurgia en ciencia. De allí parte la creación de nuevas aleaciones, como los aceros, que son el resultado de la aleación de hierro y carbono en diferentes proporciones. 3. Clasificación En ciencia de los materiales se utilizan ampliamente los diagrama de fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todos los diagramas de fase de una sustancia pura, diagrama de fase binario, entre otros. Este se clasifica en dos tipos de diagrama: 3.1 Diagrama de fase binario Los sistemas de más de un componente permiten la mezcla parcial o total de dos o más componentes. Cuando aparecen varias sustancias, la representación de cambio de fases puede ser más compleja. Un caso particular, corresponde a los diagrama de fase binarios. Las variables principales que se toman en cuanta en este tipo de diagrama son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. Existen lineamientos importantes para la caracterización de estos diagramas: Solido puro o solución solida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido – líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla inmiscibles o un líquido completamente homogéneo Mezcla líquido – gas Gas (se considera siempre homogéneo) 3.1.1 Sistema isomorfo El diagrama más simple que puede construirse es el denominado isomorfo, en el cual las fases líquida y sólida son completamente miscibles sobre el rango total de composición.
- 5. 3.1.2 Sistemas eutéctico De acuerdo a la regla de fases de Gibbs, para un sistema binario a presión constante, pueden coexistir un máximo de tres fases en equilibrio, es decir que por ejemplo, dos sólidos pueden coexistir junto con la fase líquida en un punto invariante, denominándose sistema eutéctico. 3.1.3 Sistemas peritécticos Cuando tanto la fase líquida como la sólida prefieren no mezclarse, esto es Ωm S y Ωm l son mayores que cero en la descripción de solución regular, el diagrama resulta en un diagrama peritéctico. 3.1.4Sistemas montécticos. Inmiscibilidad líquida Cuando existen desviaciones positivas del líquido, es decir Ωm l > 0, el sistema tiende a mostrar un defecto de mezcla en el medio líquido, esto se denomina sistema montéctico. 3.1.5 Sistemas sintécticos Los sistemas sintecticos son aquellos en que un sólido puede descomponerse para dar lugar a dos líquidos con diferente composición. 3.2 Diagrama de fase de una sustancia pura Existen diferentes diagramas según los materiales, sean totalmente solubles en estado sólido y líquido, miscibles o que sean insolubles, también pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de fase más clásicos es el de los aceros que tienen particularidades, donde afecta claramente la concentración y las diferentes cristalizaciones que pueden darse en el hierro en estado sólido y a diferentes temperaturas. Pares (presión y temperatura) de transición de fase entre:
- 6. Dos fases sólidas: cambio alotrópico Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión – solidificación Entre una fase sólida y una fase vapor: sublimación – deposición Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización – condensación 4. Aplicación de los diagrama de fase Los diagramas de fase y sus respectivos tipos en sistemas multicomponentes, tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. Por otra parte, estos diagramas de fase son de gran importancia, pues apoyan estudios de solidificación, microestructura, metalurgia, física, en la tecnología de refractarios y el diseño de nuevos materiales.
- 7. CONCLUSIÓN Las leyes de la termodinámica señalan lo que debe suceder en un sistema, mediante la identificación de los niveles de menor energía, sin indicar cómo o cuando sucederá o si sucederá, ya que dicho sistema debería poseer al menos suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio en la interface sólido - líquido, sino en todo el sistema. Por lo tanto, esto permite utilizar los diagramas de fase de equilibrio aun cuando el transporte sea incompleto en fases condensadas (sólido o líquido) en sistemas de dos o más componentes a presión atmosférica. También, estos diagramas de fase (sustancias puras, binarios, entre otros) se pueden obtener modelando el equilibrio termodinámico de los sistemas para lo que se requieren datos de propiedades de los componentes en solución, ya que generalmente no se dispone de información suficiente. Por consiguiente, se emplean estos modelos termodinámicos en la ingeniería de los materiales como apoyo al estudio de solidificación, microestructura, metalurgia física y diseño de nuevos materiales.
- 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Agudelo, A. (2005). TERMODINÁMICA Y DIAGRAMAS DE FASE. Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía. Universidad Nacional de Colombia. Medellín, Colombia. Extraído el 04 de junio de 2020 desde: http://a02v72n145.pdf Castro, L. (S/F). DIAGRAMAS DE FASE. Ingeniería de los materiales Unidad 8. Udima Extraído el 04 de junio de 2020 desde: http:// Manual Tema 8 Diagramas de fase FORMATO2.pdf De Aza, S. y Espinoza, J. (S/F). Aplicación de los diagramas de equilibrio en la tecnología de refractarios. Instituto de Cerámica y Vidrio Arganda del Rey. Madrid, España. Extraído el 04 de junio de 2020 desde: http://197211353.pdf