UNIDAD 5
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
BINARIOS
(Diagramas de fases)
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En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.
Monofásica
Aleación
Polifásica
Aleación monofásica
Aleación polifásica
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Definición de Fase
Toda porción, que puede incluir a la totalidad de un sistema, que es
físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de
tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción.
Una fase tiene las siguientes características:

La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material.

Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior.

Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases
circundantes.
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Fase
Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una región
que difiere en estructura y/o composición de otra región.
Agua líquida
agua
Hielo
Vapor de agua
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Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema
de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:
Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas

Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones
de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se
presenta la solidificación.


Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
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Diagramas de fases de sustancias puras
Una sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida y vapor,
dependiendo de las condiciones de temperatura y presión.
Diagrama de fases en
equilibrio presión temperatura para el agua
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Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio
(coexisten) tres fases de un material
Diagrama presión-temperatura carbono
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Diagrama de fases en
equilibrio
presión – temperatura,
hierro puro
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Es importante conocer el comportamiento de un material con la
temperatura. Tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante el frío
invierno, no habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a
sufrir las consecuencias del frío. A -40 ºC, los aceros pueden contraerse entre
1 - 4%, en función del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un
tubito por donde sale una bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha
encogido 2 ó 3mm…
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- El PTFE, (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta los 270ºC, sin
perder sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por
qué no más allá? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a
carbonizarse, y a emitir unos vapores que son bastante tóxicos.
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- En los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su
capacidad de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Cuando se
recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, se realizaron los ensayos
para determinar la temperatura de transición del acero utilizado, determinando
que era -15 ºC. Así que el empleo de ese material, la temperatura del agua por
donde andaban, además de otros detalles estructurales como las uniones
entre planchas, provocó la ruptura del casco, y el hundimiento del barco. La
culpa no fue solamente el choque contra el iceberg.
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Solubilidad y soluciones sólidas
Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo
cuando se agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar
soluciones sólidas o líquidas.
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Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de
composición variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:

Solubilidad total (completa)

Solubilidad parcial o limitada

Insolubilidad total
Mezcla: formada por dos o más fases, cuyas características se mantienen
cuando se forma la mezcla.
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a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
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a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleaciones
sólidas de Cu y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que
contienen más de 30% de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad
limitada del Zn en el Cu
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Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de
átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solución
sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
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TIPOS DE SOLUCION SOLIDA
Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas especies
químicas, se dividen en dos tipos:
a) INTERSTICIALES
Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar espacios
abiertos entre átomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una
SOLUCION SOLIDA INTERSTICIAL.
b) SUSTITUCIONAL.
Es cuando los átomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos
reticulares del solvente, siendo la distribución al azar.
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Solución sólida sustitucional: los
átomos de B ocupan posiciones de
la red A
Solución sólida intersticial: los
átomos B ocupan posiciones
intersticiales de la red A
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Soluciones sólidas sustitucionales:
En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen en
términos de posición, a los átomos de la matriz.
Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida
ilimitada, deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de
Hume- Rothery:
 El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más
del 15%,para minimizar la deformación de la red.
 Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no debe
haber diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento.
 Los elementos deben tener la misma valencia.
 La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe ser la
misma
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Ejemplo:
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Solución sólida intersticial:
En las soluciones sólidas intersticiales, los átomos de soluto se sitúan en
los intersticios que hay entre los átomos del cristal.
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
Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en
cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.

Se tienen 3 tipos de diagramas:
• Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
• Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado
sólido
• Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al
estado sólido.
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Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
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Información de los diagramas de fases
a) Temperatura liquidus y solidus
b) Fases presentes
c) Composición de cada fase
d) Cantidad de cada fase (regla de
la palanca)
e) Solidificación de aleaciones
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a) Temperatura liquidus y solidus
La temperatura liquidus o de
líquido se define como aquella
arriba de la cual un material es
totalmente líquido.
La temperatura solidus o de
sólido, es aquella por debajo de la
cual esa aleación es 100% sólida
La diferencia de temperaturas entre
la de líquido y la de sólido es el
intervalo de solidificación de la
aleación
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b) Fases presentes
El diagrama de fases puede
considerarse como un mapa
de caminos; si se conocen las
coordenadas, temperatura y
composición de la aleación,
se pueden determinar las
fases que se encuentren
presentes.
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c) Composición de cada fase
Cada fase presente en una aleación
tiene una composición, expresada
como el porcentaje de cada elemento
en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo
una fase en la aleación, la
composición de la fase es igual a la
composición general de la aleación.
Cuando coexisten dos fases, como
líquido y sólido, la composición de
ambas difiere de la composición
general original.
Usualmente
la
composición
está
expresada en porcentaje en peso.
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c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o
isoterma para determinar la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es
una línea horizontal en una región
de dos fases, que se traza a la
temperatura de interés.
Los extremos de la isoterma
representan la composición de las
dos fases en equilibrio.
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Ejemplo:
Determine la composición de cada fase en una aleación Bi – 50% Sb a
550 ºC, 400 ºC, 350 ºC y 300 ºC
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d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de fases
del cobre-níquel y la aleación de
composición C0 a 1250°C, donde
C y CL representan la
concentración de níquel en el
sólido y en el líquido y W y WL
las fracciones de masa de las
fases presentes.
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La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de
conservación de la masa:
En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las fracciones
de las fases presentes debe ser la unidad:
W  WL  1
En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir
con la masa total de la aleación
WC  WLCL  C0
Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la
expresión de la regla de la palanca para esta situación particular
WL 
C   C0
C  CL
W 
C0  CL
C  CL
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En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:
Porcentaje de fase 
brazo de palanca opuesto
x 100
longitud total de la línea de enlace
 Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos fases de
un diagrama de fases binario.
 Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una fase en una
mezcla de dos fases.
 Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es decir,
la concentración química de los distintos componentes)
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Ejemplos:
1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni
que se adjunta, describir el enfriamiento
lento de una aleación de 30% de Ni y
determinar su composición a 1200 ºC.
2. Una aleación compuesta de 2 kg de
Cu y 2 kg de Ni se fundió y
posteriormente se enfrió lentamente
hasta 1300 ºC. Utilizando el diagrama
de equilibrio Cu-Ni, calcular la
concentración y el peso de las fases
presentes a dicha temperatura.
3. En el sistema Cu-Ni, haga el análisis
de fase para una aleación 50% de Cu a:
1400 ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.
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e) Solidificación de una aleación
Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de
solidificación:
Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre según el
diagrama de equilibrio de fases.

En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se
produce una distribución no homogénea del soluto en el sólido, esto es
conocido como segregación.

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e) Solidificación de una aleación en el equilibrio
Acero de baja aleación
Cambio de la estructura de una aleación Cu – 40% Ni durante su solidificación
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Solidificación fuera de equilibrio y segregación:
Un proceso de enfriamiento normal se realiza en unos pocos minutos o a lo
más unas pocas horas, por lo cual las condiciones de equilibrio no se logran. Al
solidificar el metal se producen gradientes de concentración que no logran
equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone, originando
pérdidas de propiedades mecánicas.
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Ejemplo
Para las aleaciones NiO-30% mol MgO, NiO-45% mol MgO y NiO-85% mol MgO
a) Determinar la temperatura liquidus, solidus y el intervalo de solidificación
b) Determine las fases presentes, la composición y cantidad de cada fase a 2400 ºC
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Ejemplo
Considere una aleación, cuya composición promedio contienen 60% de
antimonio. Comenzando a 550 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 300 ºC,
suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determine: (a) Las fases
presentes (b) La composición y cantidad de cada fase (c) La microestructura
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Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al
estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles uno en
otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que prácticamente
pueden considerarse como insolubles.
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El punto de intersección de las
líneas liquidus, se denomina
E
punto eutéctico.
La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de solidificación
del eutéctico
La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como
composición eutéctica.
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Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la
temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en
dos fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica y
se escribe:
temperatur
a eutéctica
solído A  sólido B
Líquido
enf riamien to
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Aleación 1: aleación eutéctica
Aleación 3: aleación hipoeutéctica
Aleación 2: aleación hipereutéctica
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a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1
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b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2
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c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3
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Sistema Al-CuAl2
Sistema Fe – C
Eutéctico  - Fe3C
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Aleación hipereutéctica Al-Si
(Silicio primario)
Aleación hipereutéctica Fe-C
(cementita primaria)
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Ejemplo
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Ejemplo
Para las aleaciones As-15% Au, aleación de composición eutéctica y As85% Au, Comenzando a 1100 ºC y a intervalos de 50 ºC, hasta 500 ºC,
suponiendo que prevalecen condiciones de equilibrio, determinar
(a) las fases presentes
(b) la composición de cada fase
(c) la cantidad de cada fase
(d) la microestructura
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Tipo III : Totalmente soluble al estado líquido y parcialmente solubles
al estado sólido
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Solvus: líneas llamadas curvas de solubilidad, indican la solubilidad
máxima (solución saturada) de B en A (solución ) o de A en B (solución )
en función de la temperatura.
El punto E, como en el tipo II, es el punto eutéctico
Reacción eutéctica:
temperatur a eutéctica
Líquido
solución
sólida   solución
enf riamien to
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sólida 
a) Aleaciones de
solución sólida
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b) Aleaciones que
rebasan el límite de
solubilidad
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c) Aleaciones hipoeutécticas
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d) Aleación eutéctica
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Ejemplo
Ejemplos:
1)
2)
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Ejemplo
En una aleación Pb-15% Sn que se solidifica lentamente, determine:
a) La composición del primer sólido que se forma
b) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de
solidificación
c) Las cantidades y composiciones de cada fase a 260 ºC
d) Las cantidades y composiciones de cada fase a 183 ºC
e) Las cantidades y composiciones de cada fase a 184 ºC
f) Las cantidades y composiciones de cada fase a 182 ºC
g) Las cantidades y composición de cada fase a 25 ºC
h) Repetir de a hasta g para una aleación Pb-70% Sn
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Ejemplo
En una aleación Cu-10% Ag que se solidifica lentamente, determine:
a) La composición del primer sólido que se forma
b) La temperatura de liquidus, la del solidus, la de solvus y el intervalo de
solidificación
c) Las cantidades y composiciones de cada fase a 1000 ºC
d) Las cantidades y composiciones de cada fase a 850 ºC
e) Las cantidades y composiciones de cada fase a 781 ºC
f) Las cantidades y composiciones de cada fase a 779 ºC
g) Las cantidades y composición de cada fase a 600 ºC
h) Repetir de a hasta g para :aleación Cu-30% Ag y Cu-80% Ag
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Ejemplo:
Considere 1 kg de una aleación de moldeo de aluminio con un 10% en
peso de Si.
a) ¿Cuál es la primera fase sólida y cual es su composición?
b) ¿A qué temperatura solidificará completamente la aleación?
c)¿Qué cantidad
microestructura?
de
fase
proeutéctica
se
encontrará
d) ¿Cómo se distribuye el silicio en la microestructura a 576 ºC?
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