DiagramadefasesCAPACEROS

Dr.OrlandoPrat

20142014

Diagramas de fase

Qu se entiende por fase? Las zonas de un material con iguales propiedades fsicas y qumicas y la misma composicin forman parte de una fase.

Diagrama P vs. T para el agua Diagrama T vs. composicin en sistema binario (P=cte)

BasadoenAshbyJonesII:TeachingyourselvesPhaseDiagrams

Algunas definiciones

1 Una aleacin es una mezcla de un metal con otros metales o no metales o de un 1.Una aleacin es una mezcla de un metal con otros metales o no-metales, o de un cermico (p. ejemplo un xido) con otros cermicos u xidos.

2. Se llama componentes a los elementos qumicos que forman la aleacin. p q qEj: el acero contiene Fe y C

3. Una aleacin binaria contiene dos componentes, una ternaria tres, etc.

4. Concentracin:Se puede dar en % en peso o en % atmico:

)(peso A% en peso WA

% atmico XA

100scomponente los todosde peso

)(peso xAWA =100)(molesdeN

o

xAX% atmico XA 100scomponente los todosde moles deN

)(o xX A =

Una aleacin binaria (dos componentes) adoptar una de las siguientes formas:

(a) Una solucin slida (una nica fase)( ) ( )

(b) Dos componentes puros separados (dos fases)

(c) Dos soluciones slidas separadas (dos fases)(c) Dos soluciones slidas separadas (dos fases)

(d) Un compuesto qumico (estequiometra definida) junto a una solucin slida (dos fases)

Para determinar en cul de los 4 casos anteriores se encuentra una aleacin se estudia la microestructura

Microscopa ptica

Cu-30% Zn: Una sola fase; se distinguen granos que tienen la misma composicin, y difieren solamente en la orientacin cristalina

Microscopa ptica

Cu-40% Zn: Material bifsico: fase (clara); fase (oscura)

Constitucin

La constitucin de una aleacin se describe por:La constitucin de una aleacin se describe por:

a) Las fases presentes

b) L f d d fb) La fraccin en peso de cada fase.

c) La composicin de cada fase.

Ejemplo: Al-4%Cu (% en peso)

A 500C l i lid A 500C solucin slidaConstitucin: 1 fase (100%), composicin: Al: 96%, Cu 4% (en peso)

A 20C separacin en dos fases: solucin slida Al-Cu y compuesto Al2CuConstitucin: Fase 1: Solucin slida, 93% en peso; composicin: Al 99.9%; Cu 0,1% (en peso)p p p

Fase 2: Compuesto Al2Cu, 7% en peso: composicin: Al: 47% y Cu: 53% (en peso)

Constitucin de equilibrio:Una muestra alcanza su constitucin de equilibrio cuando, a una dada presin q py temperatura, la misma no cambia con el tiempo. Es la constitucin estable.

Variables de estado:Var a s sta oLas variables independientes de la constitucin son la temperatura (T), la presin (p) y la composicin (XB).

Diagrama de constitucin de equilibrio o diagrama de fase:

Para un sistema de 1 componente: es un diagrama de p vs. T, que indica la tit i d ilib i d d t ( T)constitucin de equilibrio de cada punto (p,T).

Para sistemas de dos componentes: es un diagrama cuyos ejes son la ara s st mas os compon nt s s un agrama cuyos j s son a temperatura y la composicin (XB o WB) e indica la constitucin de equilibrio para cada punto (T, XB). Se construye mediante resultados de experimentos o mediante clculos (estimaciones).

Sistemas de un componente variables independientes: p y T.

Sistemas binarios (A + B) variables independientes: p, T y XBSistemas ternarios (A + B + C) variables independientes: p, T, XB y XC.

Sistema de un componente

Zonasdeunafaseocupanunrea

Haycoexistenciadedosfasesenlneas

Haycoexistenciadetresfasesunpuntos

Laslneasdecoexistenciasedeterminani t l t j lexperimentalmente,porejemplocon

calorimetra

Regla de las fases

El nmero de fases (P) que pueden coexistir en equilibrio est dado por la regla de las fases:

F = C P + 2

C: nmero de componentes

F: nmero de variables independientes de estado (o grados de libertad) del sistema.

Si la presin se mantiene constante (es lo habitual en sistemas slidos), la regla es:

F = C P + 1F = C P + 1

Observacin: P (mayscula) nmero de fases ( i l ) ip (minscula) presin

Si P 1 ( d f ) F 2 d l i T i d di t t

Sistemas de 1 componente, C = 1

Si P = 1 (zona de una fase) F = 2; se pueden elegir T y p independientemente.Si P = 2 (borde de dos zonas de 1 fase) F = 1; para cada p hay una sola T

(y vice-versa)

Si P = 3 (punto triple) F = 0; ocurre a T y p fijos.

Sistema de dos componentes a presin = constante (C =2)

F = C P + 1

Si P = 1 (zona de una fase) F= 2 ; se pueden elegir T y X independientemente.Si P = 2 (zona de dos fases) F = 1; para cada X hay una sola T Si P 2 (zona de dos fases) F 1; para cada X hay una sola T

(y vice-versa)

Si P = 3 F = 0; ocurre a T y X fijos.

P=1

P=2

P=3

RegladelapalancaConocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleacin

C id l di d f d lConsidereeldiagramadefasesdel

cobrenquelylaaleacinde

composicinC0 a1250C,dondeCy CL representanlaconcentracinde

nquelenelslidoyenellquidoy

W yWL lasfraccionesdemasadelasfasespresentes.

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 lasEn primer lugar, tratndose de una aleacin bifsica, la suma de las fracciones de las

fases presentes debe ser la unidad:

1WW L =+En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir con la

masa total de la aleacin

0LL CCWCW =+Las soluciones simultneas de estas dos ecuaciones conducen a la expresin de la

l d l l t it i ti lregla de la palanca para esta situacin particular

0L CC

CCW = L0CCCCW =

LL CC LCC

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

100xenlacedelnealadetotallongitud

opuestopalancadebrazofasedePorcentaje =

Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier regin de dos fases de undiagrama de fases binario.

S ili l l l f i l i l d f l Se utiliza para calcular la fraccin relativa o porcentual de una fase en una mezclade dos fases.

Los extremos de la palanca indican la composicin de cada fase (es decir, lap p ( ,concentracin qumica de los distintos componentes)

Diagramas de fases para tres componentesD agramas de fases para tres componentes

Representan la composicin de mezclas conRepresentan la composicin de mezclas conRepresentan la composicin de mezclas conRepresentan la composicin de mezclas contres componentes (diagramas ternarios)tres componentes (diagramas ternarios)Sistemas ternarios de una fase F = 3Sistemas ternarios de una fase F = 3 1+2 = 4 1+2 = 4 Sistemas ternarios de una fase F = 3Sistemas ternarios de una fase F = 3--1+2 = 4 1+2 = 4 si el sistema no es condensado (T, P, nsi el sistema no es condensado (T, P, n11 y ny n22))

Sistemas ternarios de una fase condensados Sistemas ternarios de una fase condensados y temp constantey temp constantey temp. constantey temp. constanteF = 3F = 3--1 = 2 . Permite utilizar diagramas planos 1 = 2 . Permite utilizar diagramas planos en forma de tringulo equilatero en forma de tringulo equilatero en forma de tringulo equilatero en forma de tringulo equilatero

ElporcentajedelElporcentajedelcomponenteAescomponenteAesdede 0%0% en la baseen la base

F=3F=31=21=2

dede 0%0% enlabaseenlabaseyy 100%100% enelenelvrticesuperiorvrticesuperior A+B+C=100

C=100 (A+B)

Porcentaje de B es 0 en laPorcentaje de B es 0 en la

B=100 (A+C)

A=100 (B+C)

PorcentajedeBes0enlaPorcentajedeBes0enlabasey100%aniveldelbasey100%aniveldelvrticeB.LaslneasrojasvrticeB.Laslneasrojasparalelasrepresentanparalelasrepresentanincrementosen10%deincrementosen10%deB.B.

LamismasituacinseaplicaalcomponenteCLamismasituacinseaplicaalcomponenteC

ElanlisisindividualdecadacomponenteElanlisisindividualdecadacomponentepermiteestimarlapermiteestimarlaproporcindelosdemsproporcindelosdemscomponentescomponentescomponentescomponentes

Los3componentesdebensumarLos3componentesdebensumar100%100%

Cmoleerdiagramasternarios

A+B+C=40%+50%+10%=100%

Interpretacindediagramadefaseternariosp g

55eses msms ricorico enA(enA(msmscercanocercano alal vrticevrtice A)A)cercanocercano alalvrticevrtice A)A)

88 eses msms ricorico en C (en C (msms8 8 eses msms ricorico en C (en C (msmscercanocercano alalvrticevrtice C)C)

6no6nocontienecontiene CenCenabsolutoabsoluto..

yyasas sucesivamentesucesivamente

FINFIN