Interpretación de los diagramas de fase: sistemas isomórficos binarios

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Entendidos los conceptos previos necesarios para el estudio de los diagramas de fase, en esta entrada vamos a profundizar más en el tema, empleando los sistemas isomórficos binarios para explicar su interpretación.

Como comentamos con anterioridad, el estudio de la microestructura es de gran importancia en los diagramas de fase. A partir de las transformaciones de fases, de los cambios que ocurren entre fases al modificar la temperatura, se originan la mayoría de las microestructuras, lo que implica la transformación de una fase a la otra o la aparición o desaparición de una fase. La utilidad de los diagramas de equilibrio radica en la posibilidad de la predicción de la transformación y de la microestructura resultante.

Para explicar la interpretación de los diagramas de fase vamos a utilizar como ejemplo el diagrama binario del sistema cobre-níquel:

                                                                                cu-ni-1

En este diagrama tenemos tres regiones de fases: alfa (α), líquida (L) y bifásica (α+L). La línea que separa la región α de la bifásica se denomina línea solidus, mientras que la línea que separa la región líquida de la bifásica se denomina línea liquidus. En el eje de ordenadas, como siempre, tenemos representada la temperatura, mientras que en el eje de abcisas se representa el porcentaje en peso de níquel.

Conociendo la temperatura y composición, los sistemas binarios nos proporcionan la siguiente información:

  1. Fases presentes
  2. Composiciones de fases
  3. Cantidad de fases

Para determinar las fases presentes en un determinado punto, se localiza el punto definido por la temperatura y composición. En el ejemplo vemos la posición del punto A y B:

cu-ni fase

  • El punto A representaría una aleación de 60% en peso de Ni y 40% de Cu a una temperatura de 1100ºC. Al estar situado en la región monofásica α, en este punto tendremos únicamente fase α.
  • El punto B, sin embargo, se sitúa dentro de la zona de α+L, existiendo en dicha aleación fase α y fase líquida, para una temperatura de unos 1250ºC, 35% en peso de Ni y 65% en peso de Cu.

Para determinar la composición de las fases, debemos tener en cuenta si el punto a considerar se encuentra en la región monofásica o bifásica:

  • En la región monofásica, como es el caso del punto A, la composición de la fase coincide con la composición total de la aleación. En este caso sólo existe fase α y la composición es 60% en peso de Ni y 40% en peso de Cu.
  • En la región bifásica, la solución es más complicada y hace necesario emplear líneas horizontales para la temperatura dada, llamadas isotermas o líneas de reparto. Seguiremos el siguiente procedimiento:
  1. Se traza una línea de reparto a la temperatura dada a través de la región bifásica
  2. Se anotan las intersecciones de dicha línea con los límites (solidus y liquidus)
  3. Trazamos una perpendicular a partir de dicha intersección cortando al eje horizontal, lo que nos indicará la composición de cada fase

cu-ni-2

Del diagrama obtenemos la composición de la fase α y de la fase líquida. Tendremos un 32% en peso de Ni y un 68% en peso de Cu en la fase líquida (CL) y un 43% en peso de Ni y 57% en peso de Cu para la fase sólida (Cα).

Para la determinación de la cantidad de fases, al igual que en el caso anterior, hay que tratar separadamente los casos en la región monofásica y la bifásica:

  • En la región monofásica, en el ejemplo del punto A, está claro que la cantidad será un 100% de fase α.
  • En la región bifásica, para determinar la cantidad de cada fase emplearemos la regla de la palanca. Para explicarlo, emplearemos el punto B:

                                                    cu-ni-3     

Las fórmulas a emplear son las siguientes:

                                                    regla de la palanca

Con el diagrama es fácil interpretar las ecuaciones de la regla de la palanca. Para determinar la cantidad de fase sólida, dividimos el tramo comprendido entre la región líquida y el punto B (R), entre el tramo total (R+S), mientras que para la fase líquida habrá que dividir el tramo comprendido entre el punto B y la región sólida (S) entre el tramo total (R+S). Al estar situado el punto B más próximo a la región líquida, es lógico que obtengamos más cantidad de fase líquida (73%) que de fase sólida (23%).

Interpretados los datos necesarios en el diagrama, es hora de observar la variación de la microestructura de la aleación para una composición determinada:

                                                                         micro

En el diagrama podemos observar la variación de la microestructura según vamos enfriando. Al principio tenemos una aleación totalmente líquida hasta llegar a la línea de liquidus, donde se van formando los primeros granos de fase α. Dentro de la región bifásica tenemos tanto fase líquida como sólida, aumentando la cantidad de fase α conforme descendemos la temperatura. Finalmente llegamos a la región sólida, donde la aleación está completamente compuesta por fase α.

En esta entrada, hemos aprendido a interpretar un diagrama de fase binario, determinar las fases presentes, la composición de cada fase, su porcentaje y la variación de su microestructura. El tema de los diagramas de fase no es fácil, por lo que estoy dispuesto a resolver cualquier duda al respecto.

Bibliografía:

Callister, E. D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverte, 1995.

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2 comentarios sobre “Interpretación de los diagramas de fase: sistemas isomórficos binarios

    Zeymi Hernández escribió:
    25 julio, 2015 en 17:16

    Muchas gracias, explicas excelente! 🙂

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