Diagramas de Fase: Estados de la Materia, Equilibrio y Aleaciones Metálicas

Introducción a los Diagramas de Fase

En termodinámica y ciencia de materiales, se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia a la representación de los diferentes estados de la materia en función de variables elegidas para facilitar su estudio. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes, se suele denominar diagrama de cambio de estado.

Los diagramas de equilibrio pueden mostrar diferentes concentraciones de los materiales que forman una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas abarcan desde aquella por encima de la cual un material se encuentra en fase líquida hasta la temperatura ambiente, donde generalmente los materiales están en estado sólido.

Tipos de Diagramas de Equilibrio

Entre los diagramas de equilibrio, los más sencillos son los de presión-temperatura para una sustancia pura, como el agua. En el eje de ordenadas se representa la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase, excepto en las siguientes zonas:

Punto Triple

En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen un interés particular, ya que representan un invariante y, por lo tanto, pueden utilizarse para calibrar termómetros.

Aleaciones y su Comportamiento

Cuando dos metales (A, B) se encuentran a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (T_A, T_B), están en estado líquido, pudiéndose disolver y conformar así una fase líquida única. Esto significa que no es posible establecer diferencias de comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido, y que los metales, en las proporciones mezcladas, poseen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida (X_A + X_B) se somete a un proceso de solidificación mediante enfriamiento, se obtiene el producto denominado aleación de los metales A y B.

Es sabido que las aleaciones mejoran las características de los metales puros. En realidad, debería decirse que introducen variables que modifican el comportamiento de los metales puros que las componen, ya que en algunas circunstancias pueden incluso perjudicar sus propiedades. Obviamente, la formación de una aleación es uno de los medios más antiguos que la ingeniería ha empleado para modificar las propiedades de los metales puros. Históricamente, la aleación es predecesora de muchas otras técnicas, como lo demuestra el bronce y la Edad del Bronce.

Diagramas de Fase Específicos

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

Existen diferentes diagramas según si los materiales son totalmente solubles en estado sólido y líquido (es decir, miscibles) o si son insolubles. También pueden darse casos particulares.

Uno de los diagramas de equilibrio más clásicos es el de los aceros, que presenta particularidades, ya que la concentración y las diferentes cristalizaciones que pueden ocurrir en el hierro en estado sólido a distintas temperaturas lo afectan claramente.