Diagramas de fase y transformaciones

Los diagramas de fase muestran qué fases sólidas, líquidas y gaseosas son estables en función de la composición y la temperatura, y las transformaciones de fase describen cómo un material se mueve entre ellas.

Definition

Un diagrama de fase es una representación gráfica de las fases termodinámicamente estables de un sistema en función de la composición, la temperatura y la presión; una transformación de fase es el proceso, gobernado por la termodinámica y la cinética, mediante el cual un material cambia de una fase o microestructura a otra.

Scope

Este tema cubre los diagramas de fase de equilibrio utilizados para predecir las fases presentes en un material a una composición y temperatura dadas —sistemas eutécticos, peritécticos y de solución sólida—, junto con la regla de la palanca y la regla de las fases de Gibbs que los interpretan. También cubre la cinética de la transformación: nucleación y crecimiento, transformaciones difusionales versus sin difusión (martensíticas), y cómo la trayectoria de enfriamiento controla la microestructura que realmente se forma.

Core questions

• ¿Qué fases son estables a una composición y temperatura dadas?
• ¿Cómo cuantifican la regla de la palanca y la regla de las fases las cantidades de fase y los grados de libertad?
• ¿Qué distingue el comportamiento eutéctico, peritéctico y de solución sólida?
• ¿Cómo determinan la nucleación y la cinética de crecimiento la microestructura obtenida al enfriar?

Key concepts

• Regla de las fases de Gibbs
• Regla de la palanca
• Reacciones eutécticas y peritécticas
• Soluciones sólidas
• Nucleación y crecimiento
• Transformación martensítica

Key theories

Diagramas de fase de equilibrio y la regla de las fases

La regla de las fases de Gibbs relaciona el número de fases coexistentes con los grados de libertad de composición y temperatura; los diagramas de fase binarios codifican esto, y la regla de la palanca permite leer las cantidades relativas de fases coexistentes en un punto dado.

Nucleación, crecimiento y cinética de transformación

El cambio de fase requiere la nucleación de la nueva fase contra una barrera de energía interfacial seguida de un crecimiento difusional; la competencia entre la fuerza impulsora termodinámica y la movilidad atómica establece la velocidad de transformación y, a través de la trayectoria de enfriamiento, la microestructura final.

Mechanisms

Las transformaciones difusionales proceden por nucleación de una nueva fase y crecimiento átomo por átomo a través de una interfaz en movimiento, lo que requiere difusión de largo alcance; las transformaciones sin difusión (martensíticas) proceden por un cizallamiento coordinado de la red sin cambio de composición, ocurriendo casi instantáneamente por debajo de una temperatura crítica.

Clinical relevance

Los diagramas de fase son los mapas de trabajo del procesamiento de materiales: guían el tratamiento térmico de aleaciones y cerámicas, predicen el comportamiento de cocción de sistemas de óxidos y vidrios, y explican por qué el enfriamiento controlado produce microestructuras duras o blandas, frágiles o tenaces a partir de la misma composición.

History

La regla de las fases de Gibbs de la década de 1870 proporcionó la base termodinámica para predecir cuántas fases pueden coexistir. Roozeboom y otros la aplicaron experimentalmente para construir diagramas de fase alrededor de 1900, y el trabajo del siglo XX sobre la teoría de la nucleación y la cinética de transformación añadió la dimensión temporal, vinculando los diagramas de equilibrio con las microestructuras realmente producidas en el procesamiento.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

¿Qué es un punto eutéctico?

Un punto eutéctico es la composición y temperatura a la que un líquido se transforma directamente en una mezcla de dos fases sólidas al enfriarse. Es el punto de fusión más bajo del sistema y produce una microestructura bifásica fina característica.

¿Por qué un diagrama de fase puede no predecir la microestructura que realmente se obtiene?

Un diagrama de fase muestra las fases de equilibrio, pero alcanzar el equilibrio requiere suficiente tiempo y movilidad atómica. El enfriamiento rápido puede suprimir la difusión y atrapar microestructuras metaestables o de no equilibrio, por lo que la cinética, no solo la termodinámica, determina el resultado real.