Diagrama de Fases Binario: Equilibrio, Composición y Temperatura

Diagrama de Fases Binario: Aprende sobre el equilibrio, la composición y la temperatura en sistemas de dos componentes para entender mejor los cambios de fase.

Los diagramas de fases binarios son herramientas fundamentales en la física y la ingeniería de materiales, ya que permiten entender cómo la combinación de dos componentes afecta sus propiedades a diferentes temperaturas y composiciones. Estos diagramas son esenciales para diseñar materiales con propiedades específicas y para prever cómo se comportarán bajo condiciones diversas.

Conceptos Básicos

Antes de profundizar en los diagramas de fases binarios, es esencial entender algunos conceptos clave:

Fase: Una fase es una porción homogénea de un sistema que tiene propiedades físicas y químicas uniformes.

Composición: La composición de una aleación se describe en términos de la cantidad relativa de cada componente, generalmente expresada en términos de porcentaje en peso (wt%) o molar (mol%).

Temperatura: La temperatura juega un papel crucial en la determinación de las fases presentes en una aleación y sus propiedades.

Equilibrio en Diagramas de Fases Binarios

En un diagrama de fases binario, las fases presentes en una aleación a una temperatura y composición específicas están en equilibrio. El equilibrio se refiere a un estado donde las propiedades del sistema no cambian con el tiempo, lo que significa que no hay tendencia a que una fase se transforme en otra. Los diagramas de fases reflejan estas condiciones de equilibrio.

Componentes del Diagrama de Fases

Un diagrama binario comúnmente se construye con temperatura en el eje vertical y composición en el eje horizontal. Las áreas entre las líneas en el diagrama indican las fases presentes en esas condiciones específicas.

Líneas de Líquido y Sólido

En muchos diagramas, verás dos líneas clave:

Línea de Líquido: Por encima de esta línea, la aleación está completamente en estado líquido.

Línea de Sólido: Por debajo de esta línea, la aleación está completamente en estado sólido.

Entre estas dos líneas, se encuentra una región de coexistencia donde ambas fases líquida y sólida están presentes.

Invariancia y Puntos Críticos

Un punto significativo en el diagrama es el punto eutéctico, donde tres fases coexisten en equilibrio a una temperatura y composición específicas. El punto eutéctico es crucial porque la aleación se solidifica completamente a esta composición y temperatura particular.

Una base teórica para estos puntos críticos es la ley de la fase de Gibbs, que se expresa como:

F = C – P + 2

Aquí F es el número de grados de libertad (variables independiente como temperatura o composición), C es el número de componentes y P es el número de fases presentes. En un sistema binario (C=2), si tenemos tres fases en equilibrio (P=3) en el punto eutéctico, encontramos que:

F = 2 – 3 + 2 = 1

Esto significa que solo la temperatura puede variar en este punto; la composición está fija.

Construcción del Diagrama

Veamos un ejemplo típico del diagrama de fases binario con los componentes A y B. La curva de enfriamiento desde una temperatura alta nos lleva a través de varias regiones en el diagrama:

En altas temperaturas, la aleación está completamente líquida (por encima de la línea de líquido).

A medida que la temperatura disminuye y alcanza la línea de líquido, comienza la formación de la fase sólida.

Dentro de la región de dos fases (entre las líneas de líquido y sólido), tanto líquido como sólido coexisten.

Finalmente, por debajo de la línea de sólido, la aleación está completamente sólida.

Regiones y Fases del Diagrama Binario

Las diferentes regiones en el diagrama de fases corresponden a diferentes combinaciones de fases. Por ejemplo:

Región Líquida: Aquí la sustancia está completamente fundida.

Región Sólida: Aquí la sustancia está completamente cristalizada en una o ambas fases sólidas.

Región de dos fases: Aquí ambas fases, líquida y sólida, conviven en equilibrio.

Estas regiones y sus fronteras (las líneas de líquido y sólido) se determinan experimentalmente mediante técnicas como análisis térmico diferencial (DTA) o calorimetría diferencial de barrido (DSC), que registran los cambios de energía a medida que la aleación se calienta o enfría.

Estos conceptos forman la base para entender el comportamiento de las aleaciones y otros sistemas de dos componentes.