El documento describe los diagramas de fases y los procesos de solidificación de metales y aleaciones. Explica que los diagramas de fases muestran las fases estables que existen a diferentes temperaturas y composiciones y son útiles para predecir el comportamiento de los materiales. También describe los tipos de reacciones que ocurren en los diagramas de fases binarios y el proceso general de solidificación de metales puros y aleaciones a través de la nucleación y el crecimiento de cristales.

1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION SUPERIOR
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
Ciudad Ojeda Extensión COL
Diagramas de Equilibrio.
Realizado por:
Br Isaac J Castellano Q
Ing. Industrial (45)

2. Introducción.
Un diagrama de equilibrio es la representación gráfica de la temperatura en
función de la composición química (normalmente en% en peso) de una aleación
binaria. De manera práctica indica qué fases predominan en cada una de las
temperaturas en función de la composición. Da mucha información de la
microestructura de una aleación cuando se enfría lentamente (en equilibrio) a
temperatura ambiente. Además, en un diagrama de fase se pueden observar los
cambios que se producen en la microestructura y en las fases cuando varía la
temperatura.

3. Diagrama de Fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de
materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los
diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio
(condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos
para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.
Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus
composición.
Micro-estructura: las propiedades mecánicas y físicas de un material dependen de
su micro-estructura. Esta puede consistir en una “simple” estructura de granos
iguales en un metal o cerámica pura, o en una mezcla más compleja de distintas
fases. Un ejemplo de micro-estructura puede ser: ferrita y perlita.
FIGURA 1. Micro-estructuras.

4. Fase: tres (3) características: 1) una fase tiene una misma estructura o arreglo
atómico en todo el material; 2) una fase tiene aproximadamente una misma
composición y propiedades; 3) hay una interface definida entre una fase y
cualquier otra que la rodea o que sea su vecina.
Ejemplo: un bloque de hielo en una cámara de vacío, en estas condiciones, se
tendrán en coexistencia tres fases: H2O líquido, H2O sólido Y H2O gaseoso, cada
una siendo una fase diferente, con arreglos atómicos únicos, propiedades únicas y
límites definidos entre ellas.
Componente: se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su
naturaleza de sustancia química diferente. Por ejemplo, una solución es un
sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al
menos dos componentes. Un ejemplo muy sencillo: Mezcla agua hielo 0°C: Tienen
un componente: Agua y dos fases: solido y liquido.
Solución Sólida: Mezcla de átomos de dos tipos diferentes: uno mayoritario, que
es el disolvente y otro minoritario, que es el soluto. Los átomos del soluto ocupan
posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la
estructura cristalina del disolvente puro.
Un ejemplo seria:

5. FIGURA 2. Solución Sólida.
Límite de Solubilidad: en muchas aleaciones y para una temperatura específica,
existe una concentración máxima de átomos de soluto. La adición de un exceso
de soluto a este límite de solubilidad forma otra disolución sólida o compuesto con
una composición totalmente diferente.
Ejemplo: Agua +Azúcar
Figura 3. Diagrama de límite de solubilidad.
Diagramas de Fase de Equilibrio: los diagramas de equilibrio de fase son mapas
(por ejemplo, en el espacio temperatura-presión o temperatura-composición) de
las fases estables de un material en función de las condiciones de P, T y
composición.
Ejemplo diagrama de fase (Agua).

6. Figura 4. Diagrama de fase del H2O.
Diagrama de Fase Binarios: forma del diagrama de fases en el cual solo hay dos
componentes. Su mayor aplicabilidad es en las áreas de la metalurgia, química y
física. Como ejemplo se -tiene el diagrama Cu-Ni y el diagrama Ag-Cu:

7. Figura 5. Diagrama de Fase binario Cu-Ni.
Figura 6. Diagrama de fase binario Ag-Cu.
Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase
puede ser más compleja. Un caso particular -el más sencillo-, corresponde a los
diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la
temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario
pueden aparecer las siguientes regiones:
• Sólido puro o disolución sólida.
• Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide).
• Mezcla Sólido – Líquido.
• Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión) o sea un
líquido completamente homogéneo.

8. • Mezcla líquido – gas.
• Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas
variaciones de altitud).
Hay puntos y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:
• Línea de líquidos, por encima de la cual solo existen fases líquidas.
• Línea de sólidos, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.
• Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que
tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.
• Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución
sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura
(A ó B).
4.2.1. Tipos de Reacciones Invariantes:

9. Figura 7. Reacciones invariantes.
Definición de otros tipos de reacciones:
• Punto de fusión congruente: Un compuesto sólido al ser calentado mantiene su
composición hasta el punto de fusión.
• Punto de fusión incongruente: Un compuesto sólido al ser calentado sufre
reacciones peritécticas en un liquido y en una fase solida.
4.3 Clasificación simplificada de los diagramas de fases en metales.
Solubilidad total en estado sólido
Presentan únicamente líneas de líquidus y sólidus, forman soluciones sólidas
substitucionales

10. Figura 8. Diagrama de solubilidad total.
Este diagrama presenta tres zonas diferentes:
Dos regiones monofásicas
• L (Liquido): Única fase liquida (A Y B son totalmente solubles).
• α: Única fase sólida: Solución sólida con una estructura cristalina definida (A y
B son completamente solubles).
Región bifásica: Coexistencia de dos fases: líquida +sólida. (L + α).
Solubilidad parcial en el sistema binario de solubilidad parcial habrá solubilidad
total hasta un determinado porcentaje de cada elemento (límite de solubilidad), y
luego de este límite habrá un estado de insolubilidad.
Dejando aparte el caso en la región donde coexisten líquido y sólido (caso
anterior) en estos gráficos, en la región del sólido se puede determinar el
porcentaje (%) de β y de α usando la regla de la palanca. Así mismo se puede
determinar también la composición química de estas dos fases (no indicada en los

11. gráficos) que van variando debido a la presencia de la curva solvus. En forma
aproximada se puede determinar también el porcentaje de los constituyentes: en
el caso de la figura de la derecha estos son 1) solución sólida β y 2) eutéctico
(formado por α+β).
Figura 9. Diagrama de solubilidad parcial.
4.4 Solidificación de los metales.
Cuando un metal puro en estado líquido sometido a un proceso de enfriamiento
alcanza su temperatura de solidificación, se inicia un proceso de formación de
embriones o núcleos sobre los que van agregándose átomos, conformando así la
estructura cristalina.
La solidificación de los metales y aleaciones es un importante proceso industrial,
dado que la mayoría de los metales se funden para modelarlos como productos
semiacabados o acabados.
1. Proceso de Solidificación
En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las
siguientes etapas.

12. 1. La formación de núcleos estables en el fundido (nucleación).
2. El crecimiento de núcleos para formar cristales y la formación de una
estructura granular.
La ilustración muestra las diversas etapas de solidificación de los metales:
a) Formación de núcleos.
b) Crecimiento de los núcleos hasta formar metales y
c) Unión de cristales para formar granos y límite de granos asociados.
Figura 10. Proceso general de solidificación.
2. Solidificación de Metales Puros
Cuando un metal puro solidifica bajo condiciones cercanas al equilibrio, toda la
masa se cristaliza a una misma temperatura, conocida como temperatura de
solidificación, Tf, que es constante y que se mantiene constante mientras se libera
todo el calor latente de transformación; una vez que el metal ha solidificado ocurre
el enfriamiento. Sin embargo, cuando el metal puro considerado anteriormente se
solidifica bajo condiciones de no equilibrio, los cristales sólidos no se forman a la
temperatura de solidificación, sino que ocurre a una temperatura T menor que Tf,
lo que implica el requerimiento de un subenfriamiento cinético.
ΔTk = (Tf – T) definido e ilustrado mediante una curva de enfriamiento en la
siguiente figura:

13. Figura 11. Curva de enfriamiento.
Se observa que, luego del subenfriamiento representado por el material, sufre un
leve aumento de temperatura hasta llegar a la temperatura de fusión. Esto ocurre
ya que, cuando existe suficiente sólido formado, éste libera una cantidad
apreciable de calor latente de transformación, lo que eleva la temperatura del
material hasta. Una vez alcanzada, la temperatura permanece constante durante
la solidificación. El fenómeno de aumento de temperatura después del
subenfriamiento recibe el nombre de recalescencia.
Los granos de un metal idealmente puro crecen en forma columnar plana –es
decir, como un grano alargado- en las zonas inmediatamente aledañas a las
paredes de los moldes, en la dirección principal de la transferencia de calor. En las
zonas centrales, donde la formación de sólido metálico en las paredes disminuye
la conductividad del calor, los granos suelen ser equiaxiales, como se muestra en
la figura 12.
Figura 12. Crecimiento planar.
Tanto la solidificación como la fusión son transformaciones entre los estados
cristalográficos y no cristalográficos de un metal o aleación; estas
transformaciones, por supuesto, constituyen el fundamento de las aplicaciones
tecnológicas al vaciado de lingotes, al vaciado de piezas, a la colada continua de

14. metales y aleaciones, al crecimiento mono-cristalino de semiconductores, al
crecimiento unidireccional de aleaciones mixtas (composite alloys), y a los
procesos de soldadura.
Para que ocurra la solidificación del metal, sólo es necesario disipar el calor
latente de solidificación, ΔH, que se puede lograr mediante las siguientes formas:
a) Por conducción desde el sólido, hacia un sumidero de calor.
b) Por conducción hacia el líquido, cuando está subenfriado a una temperatura
inferior a Tf
c) Por aplicación de una fuerza electromotriz, o diferencia de potencial al existir un
gradiente de temperatura (Efecto Peltier) cuando la corriente fluye a través de la
intercara sólido-líquido en dirección hacia el líquido.
4.5 Solidificación monofásica de aleaciones o mezclas.

16. 4.6 Diagramas, regla de la palanca y ley de fases de Gibbs.
4.6.1 Diagrama cobre-níquel.
Para llegar al diagrama de cobre níquel, es importante recordar qué es un
diagrama de Equilibrio.
Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en
que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forman diagramas
que se componen de aleaciones, estas aleaciones son una mezcla sólida
homogénea, de uno o más metales con algunos elementos no metálicos que
pueden darse a diferentes temperaturas.
Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material
está en fase liquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los
materiales están en estado sólido.
Los elementos como el cobre y níquel tienen solubilidad total tanto en estado
líquido como sólido.
Aplicaciones
• Utilizados en tuberías o como conductores (calor y electricidad)
• bujes, entre otras aplicaciones.
• Adicional a esto Las aleaciones de base cobre con níquel, ampliamente usadas
en la operación de plantas y equipos en ambientes marinos, constituyen las
aleaciones más adecuadas para la fabricación de piezas expuestas a la acción

17. agresiva de los iones cloruros presentes en el agua de mar.
Figura 13. Diagrama Cobre-Níquel.
En el diagrama de la figura 13 se muestra el diagrama de fases de este sistema en
el que se representa la composición química de la aleación en tanto por ciento en
peso (en abscisas) y la temperatura en °C (en ordenadas). Este diagrama se ha
determinado bajo condiciones de enfriamiento lento y a presión atmosférica y no
tienen aplicación para aleaciones que sufren un proceso de enfriamiento rápido. El
área sobre la línea superior del diagrama, línea de líquidus, corresponde a la
región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la
línea inferior, línea sólidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida.
Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases
líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la
composición química de la aleación.
Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en
fase sólida, en fase (sólida + líquida) y en fase totalmente líquida según la
proporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinada
proporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cual
toda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en

18. donde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperatura a
partir de la cual toda la aleación esté líquida.
El diagrama bifásico del sistema cobre-níquel quizás es el de más fácil
comprensión e interpretación. Como anteriormente habíamos nombrado los ejes,
el de las ordenadas que representa la temperatura, y en el de abscisas la
composición en peso (abajo). La composición varía desde el 0% en peso de Ni
(100% de Cu) en el extremo izquierdo horizontal hasta el 100% en peso de Ni (0%
de Cu) en el derecho.
La zona líquido L es una disolución líquida homogénea compuesta por cobre y
níquel. La fase α es una disolución sólida sustitucional, de átomos de cobre y de
níquel, de estructura cristalina FCC. A temperaturas inferiores a 1080ºC el cobre y
el níquel son mutuamente solubles en estado sólido en cualquier composición.
Esto se puede explica porque Cu y Ni tienen la misma estructura cristalina (FCC),
radios atómicos y electronegatividades casi idénticos y valencias muy similares, lo
podemos observar en la tabla periódica. Otro concepto importante para tener en
cuenta es que el sistema cobre-níquel se denomina isomorfo debido a las
solubilidades totales de los dos componentes en estados sólido y líquido.
El cobre permanecerá sólido hasta llegar a la temperatura de fusión. La
transformación sólido a líquido tiene lugar a la temperatura de fusión, que
permanece constante hasta que termina la transformación.
Reiterando lo anterior para otra composición distinta de la de los componentes
puros, ocurre el fenómeno de la fusión en un tramo de temperaturas comprendido
entre las líneas sólidas y líquidas. En este tramo permanecen en equilibrio las
fases sólido y líquido.
Supresión de figura, originalmente imagen 2.
El procedimiento empleado para realizar estas determinaciones se desarrollará en
el sistema cobre-níquel.
Este procedimiento se volverá relativamente fácil para conocer las fases
presentes. Se localiza en el diagrama el punto definido por la temperatura y la
composición y se identifican las fases presentes en este campo.

19. 4.6.2. Diagrama plomo-estaño.
Los diagramas de fases son representaciones graficas, de las fases que existen
en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio, y
son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos
aspectos del comportamiento de los materiales. A continuación se hablará de
algunos diagramas de fase de sustancias puras.
Muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes que presentan
solubilidad solida limitada de un elemento en otro, como lo es por ejemplo, el
sistema plomo-estaño (Pb-Sn). Figura 14.
Figura 14. Diagrama Pb- Sn.

20. Este diagrama posee dos diferencias significativas con respecto al anterior:
1. Posee líneas de solubilidad: estas líneas indican cuando un componente
precipita de otro de manera similar a como precipitara sal de una solución de agua
salada a medida esta se enfría.
2. Posee un punto eutéctico: en este punto todo el liquido se transforma
instantáneamente en solido. Debido a que la solidificación es rápida, no se da por
nucleación y crecimiento por lo que el sólido que se forma resulta con una
estructura diferente. A ese solido se le llama solido eutéctico. El sólido eutéctico se
forma siempre a una misma temperatura, la cual se le llama temperatura eutéctica.
La solidificación de una aleación binaria con solubilidad limitada puede darse de
las siguientes maneras:
Figura 15. Solidificación.

21. Aleaciones que rebasan el límite de solubilidad: Las aleaciones que contienen
entre 2 y 19% de Sn también solidifican y producen una solución sólida α. Sin
embargo, al continuar enfriándose la aleación, se lleva a cabo una reacción en
estado sólido, que permite que una segunda fase solida β precipite de la fase α
original.
Aleaciones eutécticas: Las aleación que contiene 61.9% de Sn tiene la
composición eutéctica, el termino eutéctico proviene del griego eutectos, que
significa fácilmente fusible. En realidad, en un sistema binario que tiene una
reacción eutéctica, una aleación con la composición eutéctica tiene la temperatura
mínima de fusión. Es la composición para la cual no hay un intervalo de
solidificación; La solidificación de esta aleación sucede a una temperatura, que en
el sistema plomo-estaño es 183°C, la aleación es totalmente líquida y en
consecuencia, debe contener 61.9% de Sn. Cuando el líquido se enfría a 183°C,
comienza la reacción eutéctica.
Figura 16. Reacción eutéctica en diagrama Pb-Sn.
Se forman dos soluciones sólidas, α y β durante la reacción eutéctica. Las
composiciones de ambas soluciones se dan en los extremos de la línea eutéctica.
Durante la solidificación, el crecimiento del sólido eutéctico necesita tanto de la
eliminación de calor latente de fusión como la redistribución, por difusión, de las
dos distintas especies atómicas.

22. 4.6.3. Diagrama Hierro Carbono.
El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro−carbono fue
establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La
elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en
1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este
diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran
aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama
están expuestos en las obras de I. Kornilov.
Las aleaciones hierro−carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una
composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones
hierro−carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir,
grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:
• Fe−Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama con
líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las
aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito).
• Fe−C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este
sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones
grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado
libre (grafito).
Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones
blancas se emplea el diagrama Fe−Fe3C, y para estudiar fundiciones grises,
ambos diagramas (Fe−Fe3C y Fe−C). Temperatura a que tienen lugar los cambios
alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el
más importante es el carbono. Muestra la porción de interés del sistema de
aleación hierro − carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto
intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67 % de carbono por peso; por
tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro − carburo de hierro.
Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no

23. hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto
carburo hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).
Figura 17. Diagrama Hierro- Carbono.

24. Figura 18. Puntos críticos en Diagrama Fe-C.
En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones
que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el
calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo
que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.
Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —
temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por
métodos diversos.

25. La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es
necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutécticas y las
eutectoides, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar
capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro
que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de
los metales.
Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo
de hierro. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las
líquidas, hierro ð, hierro y cementita. La fase líquida puede consistir en cualquier
combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del
diagrama. La cementita o carburo de hierro (Fe3C), es un compuesto químico de
hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento. Es uno de los
componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede
estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono).
La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina
compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro
componente del diagrama, el hierro, existe dos alótropos sólidos o formas
definidas de cristal. El hierro alfa, que es el alótropo a la temperatura ambiente,
tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el
nombre de ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o
austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera
que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no
puede efectuarse una comparación verdadera. El hierro gama existe a
temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de
hierro disuelven al carbono y los símbolos ð y se usan para representar, tanto al
hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es conveniente
hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de
carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono.
Las fases mencionadas arriba son también constituyentes. Además de éstos,
existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre
que se da a la composición eutéctica sólida; se presenta únicamente en el hierro

26. colado y, después de la transformación que se lleva a cabo al enfriarse a la
temperatura ambiente, adquiere el aspecto moteado. La lebedurita transformada
consiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita.
La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra tanto en el acero
como en el hierro colado. En la estructura eutectoide, que se compone de capas
alternas de ferrita y cementita. La perlita tiene valores de dureza y ductilidad
intermedios a los de la ferrita y la cementita.

27. Conclusión.
Los éxitos obtenidos en la producción de nuevos aceros empezaron a extenderse
a los materiales como los polímeros y las cerámicas, obligando a crear
nuevas investigaciones sobre las propiedades de la materia. En las
investigaciones destaca la búsqueda de propiedades específicas orientadas a
lograr la eficiencia global de los procesos, se incide así en aspectos como la
resistencia a las altas temperaturas, la resistencia mecánica, la resistencia a la
corrosión, así como una mayor eficiencia energética, a la par de reducciones en la
densidad y en peso, o bien, capacidades conductoras ampliadas, texturas,
transparencia, etc. Estas características se han logrado obtener por
combinaciones y procesos.