Diagrama de fase

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la

representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un

sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.

Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de

agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

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.

Mezcla Mecánica

Una mezcla es la combinación de dos o más sustancias en proporciones

variables, donde los componentes de la mezcla, no reaccionan químicamente entre

sí”. Las propiedades de la mezcla mecánica no se alteran; presentan

heterogeneidad a simple vista y en el microscopio; no se disuelven uniformemente

las sustancias entre sí; el efecto calorífico es nulo o muy pequeño. Las mezclas de

un diagrama de fase son las siguientes:

Perlita

Se denomina perlita a la microestructura formada por capas o láminas alternas

de las dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a

temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una

perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. La perlita aparece en

granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas

esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra.

Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas

delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que

los límites de fases adyacentes no se distinguen.

Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se

transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita,

con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan

difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la

región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 6,70%

en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de

los granos austeníticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono

necesitan difundir la distancia mínima dentro de su estructura.

La razón de este comportamiento radica en los fenómenos que ocurren en los

límites de fases (α y cementita). En primer lugar, hay un alto grado de adherencia

entre las dos fases en el límite. Por lo tanto, la resistencia y la rigidez de la fase

cementita restringe la deformación de la fase ferrita, más blanda, en las regiones

adyacentes al límite; es decir, la cementita refuerza a la ferrita. Este grado de

reforzamiento es más elevado en la perlita fina porque es mayor la superficie de

límites de fases por unidad de volumen del material. Además, los límites de fases

sirven de barrera para el movimiento de dislocaciones, del mismo modo que los

límites de grano.

Ledeburita

Ledeburita es una mezcla eutéctica que contiene un 95,7% de hierro y un 4,3%

de carbono, por lo tanto no es constituyente de los aceros sino de las fundiciones.

La lebeburita se llama así en homenaje a Adolf Lebedur (1836-1916). Es el

constituyente eutéctico que se forma al enfriar la fundición líquida de 4.3% C

desde 1145 °C. Está formada por 48% de cementita y 52% de austenita de 2% C.

La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones ordinarias

debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin embargo

en las fundiciones se pueden conocer la zonas donde existió la ledeburita por el

aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.

A veces, a éstas zonas donde existió la Ledeburita se la llama Ledeburita

Transformada.

Bainita

La bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación

intervienen procesos de difusión. La bainita forma agujas o placas, dependiendo

de la temperatura de transformación. Los detalles microestructurales de la bainita

son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio

electrónico. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas alargadas de

cementita. La fase que rodea las agujas es martensita, a menos que se haga un

tratamiento isotermico hasta transformar toda la austenita en bainita.

La transformación bainítica también depende del tiempo y de la temperatura y

se puede representar en un diagrama de transformación isotérmica , a

temperaturas inferiores a las de formación de la perlita. En los tratamientos

isotérmicos realizados entre 540º-727 °C, se forma perlita y entre 215-540 °C, el

producto de transición es la bainita. Las transformaciones perlítica y bainítica

compiten entre sí y sólo una parte de una aleación se puede transformar en perlita

o en bainitia. La transformación en otro microconstituyente sólo es posible

volviendo a calentar hasta formar austenita.

Sin embargo, a diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita no están

presentes en formas que dependen de la aleación y la temperatura de

transformación. La microestructura depende de la temperatura y se distinguen dos

morfologías: Bainita superior : Se forma en rangos de temperatura

inmediatamenta inferiores a los de perlita. Se compone de agujas o bastones de

ferrita con cementita entre ellas.

Bainita inferior: Se forma a temperatura del orden de la martensita Ms

(ligeramente superiores). Se produce preferentemente en transformaciones

isotérmicas (austempering), aunque también puede hacerlo a enfriamiento

continuo y corresponde a una transformación intermedia entre la que corresponde

a perlita y a martensita.

Martensita

Martensita es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones

ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión,

a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. Por

extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una

transformación sin difusión materiales metálicos.

Compuestos Intermetalicos

Se llama compuesto intermetálico a todo sistema aleado que se presentir como

una fase liquida o sólida. Estas fases se suelen llamar también compuestos

intermetálicos, Al resultado de la íntima interacción íntima hasta la dimensión

atómica de un metal y otro u otros elementos, metales o no, se le llama a. Se

entiende por sistema aleado todas las a. que pueden obtenerse con una

determinada serie de componentes, siendo éstos, precisamente, los elementos que

lo constituyen. Un sistema aleado puede ser sólido o líquido, dependiendo de su

composición y de la temperatura a que se considere.

Ferrita

La ferrita (o hierro alfa) es, en metalurgia una de las estructuras moleculares

del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene

propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes

aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores con

níquel, cinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las

Corrientes de Foucault. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos

(sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno.

Austenita

La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y

carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre

los 900 a 1400 ºC. Está formado por una disolución sólida del carbono de hierro,

lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil, blanda y tenaz. Es la

forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. También se le conoce como

austerita. Admite el temple, pero no es magnético.

La estructura cristalina de la austenita es del tipo cúbica, de caras centradas, en

donde se diluyen en solución sólida los átomos de carbono en los intersticios,

hasta un máximo tal como lo muestra el diagrama de fase Fe-C. Esta estructura

permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de

carburación del acero. La solubilidad máxima es sólo del 1.67%. Hay que recordar

que por definición los aceros contienen menos de 1.67% de carbono y pueden

tener disuelto el carbono completamente a altas temperaturas.

La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en aceros

fuertemente aleados como algunos inoxidables. La austenita es blanda y dúctil y,

en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa

a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable.

Cementita

La cementita o carburo de hierro se produce por efecto del exceso de carbono

sobre el límite de solubilidad. Si bien la composición química de la cementita es

Fe3C, la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4

átomos de carbono por celda. La cementita es muy dura y frágil y, por lo tanto, no

es posible de utilizar para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad

para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos.

Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono donde el contenido de carbono

varía entre 2,14% y 6,67% (aunque estos porcentajes no son completamente

rígidos). Comúnmente las más usadas están entre los valores de 2,5% y 4,5%, ya

que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria.

Además de hierro y carbono lleva otros elementos de aleación como silicio,

manganeso, fósforo, azufre y oxígeno.

Seguirán el diagrama de equilibrio estable (Fe-C) o metaestable dependiendo

de distintos factores, principalmente de si se produce o no la grafitización.

Obtienen su forma definitiva por colada, permitiendo la fabricación con relativa

facilidad de piezas de grandes dimensiones y pequeñas complicadas. Son más

baratas que los aceros y de fabricación más sencilla por emplearse instalaciones

menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas más bajas (además son

fáciles de mecanizar). Actualmente, se fabrican fundiciones con excelentes

propiedades mecánicas, haciéndole la competencia a los aceros tradicionales.

RESUMEN DE DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO

Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro

carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la. Las fases que

pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro ð, hierro γ

y cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la.

La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo,

dentro de los límites de composición del diagrama.

DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO

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 hiero, existe e 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 γ 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.