Este documento proporciona una introducción a los diagramas de fases. Explica que un diagrama de fases muestra las fases presentes en un sistema de materiales a diferentes temperaturas y composiciones. También describe conceptos clave como puntos triples y la regla de Gibbs para determinar el número máximo de fases en equilibrio. Por último, presenta ejemplos de diagramas de fases comunes como los sistemas binarios isomorfos y el diagrama hierro-carbono.

1. D I A G R A M A S D E F A S E
UNIDAD IV

2. DEFINICION 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.
Un Diag. de fases relaciona temp, composiciones químicas, y las cant de
las fases en equilibrio.
 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.

3. DIAGRAMAS DE FASE
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.

4. 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

5. PUNTO TRIPLE.
PUNTO TRIPLE: Presión y temperatura a la que
están en equilibrio (coexisten )tres fases de un
material.

6. REGLA DE GIBBS
 La construcción de diagramas de fase sigue las leyes de la
termodinámica. Una de esas leyes es la regla de las fases de Gibbs, que
establece un criterio para definir el número de fases en equilibrio en un
sistema:
 P + F = C + N
 Donde: P - número de fases en equilibrio,
 F - número de grados de libertad o variación
 C - número de componentes, y
 N - número de variables excepto las de composición (normalmente
presión y temperatura)

7. Para la mayoría de los sistemas N=2 (presión y temperatura) y en la
mayoría de los procesos la presión es constante, así que N=1.
Para un sistema de dos componentes (binario) esta regla queda:
P + F = 2 + 1 = 3
Así para F = 0, se tiene que el número máximo de fases en equilibrio en
un sistema binario, es:
P = 3
Por tanto, en un sistema binario cuando 3 fases están en equilibrio, el
número de grados de libertad es 0 (F=0). De esta forma el equilibrio es
invariante, o sea, todas las variables son fijas, por tanto el equilibrio entre
3 fases ocurre a una determinada temperatura y las composiciones de las
3 fases son fijas.
Las principales reacciones en sistemas binarios involucrando 3 fases son
•Eutéctica: L = S1 + S 2
•Eutectoide: S1 = S 2 + S 3
• Peritéctica: L + S1 = S 2
•Peritectoide: S1 + S 2 = S 3

8. SISTEMAS BINARIOS ISOMORFOS
Entre los sistemas de dos componentes, los mas simples
son aquellos en lo que la solubilidad entre los extremos es
total para cualquier composición, tanto en el estado sólido
como en el liquido. La estructura cristalina es única y por
ello se denominan sistemas isomorfos. Entre estos se
encuentran como por ejemplo:
 Aleaciones cobre-níquel

10.  Estos diagramas pueden construirse a partir de las
curvas de enfriamiento liquido-solido del sistema.
En elementos puros estas curvas presentan línea
horizontales de estabilización térmica mientras dura
la solidificación. Por el contrario, en las soluciones
solidas las solidificaciones no se producen a
temperatura constante, los comienzos de las mismas
nos dan puntos de la línea liquidas y los finales
puntos de la línea solidas.

11. Curvas de enfriamiento liquido-sólido para el sistema Cu-Ni

12. La lectura de diagramas isomorfos es hecha definiendo el par
composición – temperatura y simplemente leyendo las fases
indicadas.
En el campo de dos fases, la determinación de las fases presentes es
posible trazándose un segmento de recta horizontal que pasa por el
par composición temperatura y alcanza las dos líneas que delimitan
el campo de dos fases. La composición de la fase líquida y sólida por
la intersección de este segmento de recta y la respectiva línea de
contorno.

13. REGLA DE LA PALANCA
Es usada para determinar las porciones de las fases en
equilibrio en un campo de dos fases.
Estas cantidades se expresan generalmente en % del peso.
En las regiones de una sola fase, la cantidad de la fase
siempre es 100%. Para calcular las cantidades de líquido
y de sólido, se construye una palanca sobre la isoterma
con su punto de apoyo en la composición original de la
aleación (punto dado) . El brazo de la palanca, opuesto a
la composición de la fase cuya cantidad se calcula se
divide por la longitud total de la palanca, para obtener la
cantidad de dicha fase.

14. En general la regla de la palanca se puede escribir de la
sig. forma:
PORCENTAJE DE FASE= brazo opuesto de la palanca X 100
Long. Local de la isoterma
FRACCIÓN LIQUIDO FRACCIÓN SÓLIDO
 WL = Cα – CO Wα = CO – CL
 Cα – CL Cα – CL

16. SISTEMA Fe-C : Aceros
Es el sistema binario más importante desde el punto
de vista tecnológico. El hierro puro presenta tres
diferentes polimorfos en función de la temp., la
ferrita o hierro α, la austenita o hierro γ y la
ferrita δ o hierro δ.
Incorporación de carbono en su estructura.
 AUSTENTITA  2% en peso de carbono.
 Ferrita α y δ  0.1% en peso de carbono.

17. El contenido en carbono de los aceros es variable,
aunque generalmente inferior al 2%, y en la mayoría
de ellos ronda el 0.2-0.3%. Cuando se sobrepasan
estos límites se forma cementita (Fe3C). A pesar de
estas bajas proporciones su influencia es las
propiedades mecánicas es muy importante. Además,
la propia cementita es un compuesto muy duro que
aumenta la resistencia de algunos aceros.

20. En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-
carbono en dos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de
carbono y que se llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un
2 % de carbono, las cuales se llaman fundiciones. A su vez, la región de los aceros
se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenido en carbono
es inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C) los cuales
se llaman aceros hipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo
contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que se conocen por aceros
hipereutectoides.

21. Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
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…

22. Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
- 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.

23. Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
- 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.