Fundamentos de los Diagramas de Fase y Equilibrio de Aleaciones

Variables de Estado y Diagramas de Equilibrio

Para especificar por completo el estado de un sistema en equilibrio, es necesario especificar tres variables independientes, mismas que pueden controlarse externamente, a saber: temperatura, presión y composición. Si se supone que la presión permanece constante con valor atmosférico, el diagrama de equilibrio indicará los cambios estructurales debidos a la variación de temperatura y composición. El diagrama es, esencialmente, una representación gráfica de un sistema de aleación.

Condiciones de Equilibrio en la Práctica

Idealmente, el diagrama de fase deberá mostrar las relaciones entre las fases bajo condiciones de equilibrio, o sea, bajo condiciones en las cuales no habrá cambio con el tiempo. Las condiciones de equilibrio pueden ser aproximadas por medio de calentamiento y enfriamiento extremadamente lentos, de modo que se deje suficiente tiempo si un cambio de fase está por ocurrir. En la práctica, los cambios de fase tienden a ocurrir a temperaturas ligeramente mayores o ligeramente menores, dependiendo de la rapidez a la que la aleación se calienta o enfría. La rápida variación en la temperatura, que puede impedir cambios de fase que normalmente ocurrirían bajo condiciones de equilibrio, distorsionará y a veces limitará la aplicación de estos diagramas.

Clasificación de Sistemas de Aleación

Componentes completamente solubles en estado líquido:

• Completamente solubles en estado sólido (Tipo I).
• Insolubles en estado sólido: la reacción eutéctica (Tipo II).
• Parcialmente solubles en estado sólido: la reacción eutéctica (Tipo III).
• Formación de una fase intermedia de fusión congruente (Tipo IV).
• Componentes parcialmente solubles en estado líquido: la reacción monotéctica (Tipo V).
• Componentes insolubles en estado líquido e insolubles en estado sólido (Tipo VII).

Transformaciones en estado sólido:

• Cambio alotrópico.
• Orden-desorden.
• La reacción eutectoide y la reacción peritectoide.

Determinación de Fases y Composición

Composición química de las fases

Para determinar la composición química real de las fases de una aleación, en el equilibrio a cualquier temperatura específica en una región bifásica, se traza una línea horizontal (isoterma) hasta las fronteras del campo; estos puntos de intersección se abaten a la línea base y la composición se lee directamente.

Cantidades relativas de cada fase

Para determinar las cantidades relativas de las dos fases en equilibrio, a cualquier temperatura específica en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que representa la aleación y una línea horizontal. Este método también se conoce como regla de la palanca.

Procesos de Enfriamiento y Homogeneización

Enfriamiento en equilibrio de una aleación de solución sólida

Es muy lento el enfriamiento, bajo condiciones de equilibrio, de cierta aleación. Esta aleación a temperatura T es una solución homogénea.

Homogeneización

Hay dos métodos para resolver el problema de segregación: uno es impedir su formación a través de un lento congelamiento del líquido, pero esto origina granos de gran tamaño y requiere un tiempo muy largo. El segundo método es la homogeneización, que busca uniformar la estructura mediante la difusión en estado sólido.