Diagramas de Fase

Los materiales en estado sólido puedenestar formados por varias fases. La combinación de estas fases define muchas de las propiedades que tendrá el material. Por esa razón, se hace necesario tener una herramienta teórica que permita  describir las fases que estarán presentes en el material. Esa herramienta teórica se llama Diagrama de fase.

Las fases sólidas en un material tienen las siguientes características

• Los átomos que forman la fase tienen la  misma estructura o arreglo atómico.• La fase tiene la misma composición química en todo su volumen. • Presenta las mismas propiedades físicas.• Posee una interfase definida con su entorno..

Los materiales puros solamente poseen una fase

Las aleaciones pueden poseer dos o más fases presentes al mismo tiempo.
Una aleación se define como una

solución en estado sólido. Una solución no es más que la mezcla de dos o más elementos químicos.
Un diagrama de fases es un “mapa” que describe las fases presentes en un material en función de variables termodinámicas.

Cuando se mezclan dos o más elementos para formar una aleación, se pueden dar las siguientes situaciones:
1. Existe solubilidad ilimitada produciéndose una fase sólida. El ejemplo típico de este caso es cuando se mezclan agua y alcohol. Para el caso de dos metales, el cobre y el níquel tienen solubilidad ilimitada, formándose una sola fase en estado sólido.

Existe solubilidad limitada, lo cual significa que uno de los componentes puede disolverse hasta cierto límite en el otro. En este caso se producen dos o más fases en la solución. El ejemplo típico es mezclar sal con agua. En ciertas cantidades, la sal se disuelve completamente en el agua, creando una fase (agua salada). Después de cierto límite, la sal no se disuelve más generándose dos fases (agua salada + sal no disuelta). Para el caso de los metales, el cobre y el zinc tienen solubilidad limitada generándose varias fases en estado sólido.

Se estudiarán los diagramas de fase binarios

Una aleación binaria está formada únicamente por la mezcla de dos componentes. La cantidad en que cada componente está presente en la mezcla se cuantifica por medio del porcentaje en peso. Suponga que se fabrica una aleación mezclando el componente A con el componente B.

Un diagrama de fase es un gráfico en cuyo eje vertical se mide la temperatura y en el eje horizontal se mide el porcentaje en peso de los componentes que forman la aleación.

Durante la solidificación de las aleaciones ocurre la segregación

Este fenómeno consiste en que la composición química del sólido que se forma primero es diferente a la del sólido que se forma por último. Esto es consecuencia del diagrama de fases. La segregación causa que la composición química de la pieza sólida no sea uniforme. Esta falta de uniformidad causa que las propiedades mecánicas de la pieza tampoco sean uniformes. Para ciertas aplicaciones, esta falta de uniformidad en las propiedades mecánicas puede resultar inconveniente.

El acero se obtiene cuando se mezcla hierro con carbono

El acero aleado es un acero al que se le añaden elementos de aleación adicionales al carbono.
Al acero que está formado simplemente por hierro y carbono se le suele llamar “acero al carbono”. En la figura a continuación se muestra el diagrama de fases del acero al carbono.

El acero puede tener las siguientes fases de equilibrio

•1.
Ferrita (α). Consiste en átomos de hierro con estructura cristalina BCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales. La cantidad de átomos de carbono presentes en la ferrita es pequeña. La ferrita es una fase muy suave, dúctil y magnética. • Es una de las fases que aparece a temperatura ambiente.

Austenita (γ)
. Consiste en átomos de hierro con estructura FCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales. Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita. Es una fase no magnética. No existe por debajo de 727 °C Es un constituyente blando.

Cementita (Fe3C)

También se llama Carburo de Hierro. Es un compuesto intermetálico. Es una fase muy dura y frágil. Compuesto de elevada dureza y fragilidad.

Perlita

Es una fase que resulta de la reacción eutectoide del acero. La reacción eutectoide permite que la austenita en estado sólido se transforme en ferrita y cementita, ambas también en estado sólido. Esta transformación es similar a la reacción eutéctica, por lo que la fase resultante tiene una apariencia similar al sólido eutéctico. Su campo de existencia se sitúa por debajo de los 727°C.

En función de las fases presentes, los aceros pueden clasificarse de la siguiente forma. •1. Aceros hipoeutectoides.
Son aquellos que poseen menos de 0.77% de carbono. La microestructura presente en estos aceros consiste de ferrita y perlita.

Aceros eutectoides

Son aquellos que poseen exactamente 0.77% de carbono. Su microestructura está formada totalmente por perlita.

Aceros hipereutectoides

Son aquellos que poseen más de 0.77% de carbono. Su microestructura consiste en cementita y perlita.

Los aceros al carbono también pueden clasificarse de la siguiente manera: •1. Aceros de bajo carbono.
Su porcentaje de carbono es menor a 0.2%. Su microestructura está formada principalmente por ferrita. Son metales muy suaves, dúctiles y de baja resistencia. Son fáciles de deformar plásticamente.

Aceros de medio carbono

Su porcentaje de carbono oscila entre 0.2 y 0.5%. Su microestructura está formada por la mezcla de ferrita y perlita. Constituyen la mayoría de aceros al carbono disponibles comercialmente y sus propiedades mecánicas dependen de la cantidad de ferrita y perlita que posean.

Aceros de alto carbono

Su porcentaje de carbono es mayor al 0,5%. Tienen dureza y resistencia elevadas. Su ductilidad y tenacidad son bajas.