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DIAGRAMA DE FASES - Contenido educativo

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Subido el 22 de noviembre de 2018 por Isabel L.

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Bueno, en esta ocasión vamos a hablar de algo que a mí personalmente me encanta, que son los diagramas de fase. 00:00:01
Si alguno se decide hacer una carrera técnica en la asignatura de ciencias de materiales, pues veréis que a este apartado se le da muchísima importancia porque quizás sea uno de los fundamentales. 00:00:12
Pues aquí tenemos un pequeño índice de lo que vamos a tratar en esta lección. 00:00:26
Estos que son puramente termodinámicos o si queréis hasta físico-químicos. 00:00:40
Está claro que la materia se encuentra en tres estados de agregación, sólido, líquido y gaseoso. 00:00:46
También sabemos que en el estado sólido el movimiento de las partículas es muy ligero y es una simple vibración. 00:00:53
y cuando se rompen los enlaces a corto alcance, pues pasamos del sólido al líquido 00:01:00
en el cual estas uniones intermoleculares son mucho más débiles 00:01:10
que hacen que, por ejemplo, se permanezca el volumen sea constante pero no la forma 00:01:15
Y cuando pasamos del líquido al gaseoso, pues se rompen las posibles ligaduras que existen entre las moléculas de líquido y en el gas. 00:01:24
Pues el movimiento depende también de qué tipo de gas, pero en general el movimiento es mucho más rápido y no hay esa serie de vínculos. 00:01:35
O sea, en conclusión, una sustancia puede estar en estos tres estados de agregación dependiendo de las condiciones externas, depresión y temperatura. 00:01:43
Sabemos que, por ejemplo, para que el líquido se convierta en gas, pues siempre hay una cierta cantidad de gas que está en equilibrio con el líquido 00:01:53
y que a medida que va aumentando la temperatura, pues va aumentando hasta que llega un momento en que se ha pasado prácticamente, no queda líquido y es todo gas. 00:02:00
Pero en cualquier caso, los cambios de fase dependen de las condiciones de presión y temperatura, son las libertades que tenemos. 00:02:11
De tal manera que si tenemos tres fases coexistiendo, si existen las tres fases, sólido, líquido y gas, para un solo compuesto, el número de libertades tendría que ser cero, el número de variables, por así decirlo, tendría que ser cero. 00:02:22
Esto hace que para todas las sustancias exista lo que se conoce con el nombre de punto triple, en el cual, en determinadas condiciones, depresión y temperatura, en el cual coexisten los tres estados de agregación. 00:02:37
Bien, lo normal es que pueda existir un, pues si tenemos un único compuesto y queremos que existan dos fases, pues tenemos tres y dos fases, luego hay una libertad, 00:02:50
Entonces, esto nos va a permitir trazar estas líneas de presión-temperatura que delimitan las distintas transiciones o los distintos cambios de estado. 00:03:11
Este es un diagrama de fases típico, genérico, para una sustancia pura. 00:03:26
pura. En estas sustancias puras, pues no solamente en el caso de los metales puros, no solamente 00:03:30
pueden existir estas transiciones de cambios de estado, sino que en el estado sólido existen 00:03:41
otras posibles transiciones, que son los cambios halotrópicos. Dependiendo de la temperatura, 00:03:49
un determinado metal, un determinado sólido, se puede presentar en diferentes estados halotrópicos, 00:03:56
Por ejemplo, el caso del hierro es muy típico, pues tenemos un hierro delta que es cúbico centrado en el cuerpo, después al enfriar se pasa un hierro cúbico centrado en la cara que es el hierro gamma y finalmente a bajas temperaturas existe el hierro alfa que es cúbico centrado en el cuerpo. 00:04:01
Los parámetros de red también son diferentes y este cambio de estados halotrópicos es similar en cuanto a comportamiento a los cambios de estado. 00:04:23
Y se pueden entender como cambios de estado. Durante el tiempo que se da ese cambio halotrópico, la temperatura permanece constante. 00:04:34
Mediante ese cambio de estructura cristalina, la estructura permanece constante. 00:04:44
Entonces, desde todo punto de vista, desde todos los aspectos, las transiciones aerotrópicas pueden ser entendidas igual como si fuese un cambio de estado. 00:04:49
Bueno, si yo quiero hacer una solidificación, el proceso de solidificación de un metal, es un proceso un poco complejo, porque el estado sólido en sí es muy complejo. 00:05:03
Nosotros, la química, la física que estudiamos, generalmente la estudiamos como mucho para disoluciones en estado líquido, pero cuando entramos en el estado sólido, cuando aparecen esos vínculos debido a las redes cristalinas, aparecen fenómenos que no nos hemos considerado en otras circunstancias. 00:05:17
Por eso la solidificación en concreto es un cambio de estado un tanto peculiar y un tanto particular. 00:05:39
Se dice que para que se lleve a cabo o se dice que es un proceso de nucleación y crecimiento, es decir, tiene dos etapas. 00:05:46
En la primera etapa existe esa nucleación, esa creación de las primeras partículas sólidas, que digamos que cuando se crea una partícula sólida hay dos fenómenos que son contrapuestos. 00:05:54
Por un lado, un fenómeno termodinámico. Efectivamente, pues hay una cierta energía que se asocia con ese cambio de estado, porque a medida que disminuimos la temperatura, pues la energía libre de Gibbs, de alguna manera, establece que tiene que existir ese cambio de estado. 00:06:10
Pero por el otro lado es cierto que se tiene que crear una interfase y la interfase sólida tiene muchas limitaciones y por eso a medida que se hace grande pues hay más superficie de interfase por lo tanto se pone en juego más energía. 00:06:30
Entonces tenemos que llegar a una situación de compromiso entre la energía que necesitamos para crear la interfase y la energía que de alguna forma proviene de ese calor latente de fusión. 00:06:50
Entonces hay lo que se llama para la creación de esta primera etapa que es la etapa digamos controlante que es la nucleación, existe lo que se llama un radio crítico en esos embriones o núcleos. 00:07:08
Estamos viendo que es complicado porque la nucleación homogénea es prácticamente imposible. 00:07:24
La energía de activación que se precisa para crear un núcleo en un metal puro es prácticamente imposible. 00:07:35
Solo es posible la nucleación heterogénea, es decir, a partir de impurezas que hacen que la energía de activación sea menor 00:07:43
y pueden llegar a crear pequeños núcleos de sólido dentro del propio líquido. 00:07:51
Si no, es prácticamente imposible. 00:07:59
Pero aparte de eso, pues hay otra serie de factores que también intervienen. 00:08:02
Cuando yo tengo un líquido, un líquido que está subenfriado y se empiezan a generar las primeras partículas de sólido, 00:08:06
esta creación del sólido hace que se tenga que evacuar el calor latente de fusión 00:08:16
y para que la evacuación de este calor latente sea más rápida 00:08:23
lo que se intenta es que la superficie sea lo máxima posible 00:08:27
entonces realmente el crecimiento del sólido en el seno del líquido se hace en forma de agujas 00:08:33
que es la mejor manera de tener una gran superficie 00:08:40
para que se pueda evacuar el calor lo más rápidamente posible 00:08:44
entonces el crecimiento de estas agujas es complejo 00:08:47
y en el crecimiento de estas agujas 00:08:51
se pueden crear otras agujas intermedias 00:08:54
y es lo que se da lugar a las dendritas 00:08:59
las dendritas lo que persiguen es que la superficie de evacuación de calor 00:09:03
sea la máxima posible 00:09:07
Y por eso tienen esa estructura arborescente o lobulada que de alguna forma permite la evacuación de calor de una forma muy rápida. 00:09:08
Entonces la solidificación y el crecimiento de un sólido siempre se hace de esta manera y solamente de esta manera. 00:09:20
Es curioso, por ejemplo, los copos de nieve. Se puede verificar en los copos de nieve y en cualquier otro. 00:09:29
Pero, ¿qué ocurre? Que realmente en el mundo tecnológico las sustancias puras no tienen apenas importancia. 00:09:35
Dentro del mundo tecnológico los materiales se entienden como mezclas. 00:09:49
Los metales existen como aleaciones, como mezclas de dos o más metales. 00:09:54
Y en el caso de las aleaciones hay que explicar la estructura cristalina que hay. 00:09:59
Y efectivamente, si yo puedo mezclar dos metales de dos maneras, en principio, teniendo en cuenta cómo es el estado sólido y teniendo en cuenta lo que se conoce con el nombre de las reglas de Hume-Romeri. 00:10:04
Entonces, para tener dos estructuras hay dos posibilidades. Una, sustituir un átomo de la red por otro que sea similar en tamaño. 00:10:18
y digo similar en tamaño porque claro, a medida que la diferencia de tamaños es mayor 00:10:29
pues la red se tiene que adaptar al nuevo átomo, a este átomo que está sustituyendo al átomo anterior 00:10:35
y con eso pues puede aparecer dislocaciones o defectos dentro de la red 00:10:42
y eso da lugar generalmente a un endurecimiento 00:10:48
entonces una posibilidad es lo que se llaman las soluciones sólidas sustitucionales 00:10:50
en las que un átomo sustituye al otro 00:10:57
y hay que intentar en la medida posible 00:10:59
que sean análogos 00:11:01
tanto en tamaño 00:11:02
como en configuración electrónica 00:11:05
también es importante 00:11:07
porque también puede influir 00:11:08
en las propiedades 00:11:10
de la aleación 00:11:13
otra posibilidad es que 00:11:14
uno de los componentes 00:11:17
sea lo suficientemente pequeño 00:11:19
como para caber en los intersticios 00:11:21
de la red del otro 00:11:23
Eso aumentaría la densidad, haría que también fuese más duro, aumentaría la fragilidad porque impediría de alguna manera el movimiento de los planos cristalinos. 00:11:24
Entonces es otra posibilidad, otra forma en la que podemos tener aleaciones. 00:11:37
Claro, pues cuando superamos los límites de solubilidad o otra posibilidad de mezcla entre metales y no metales, es la formación de compuestos. 00:11:43
Nosotros hablamos de compuestos estequiométricos y todo el mundo entiende que si se mezclan en determinadas proporciones, por ejemplo, el cloro y el sodio, se va a formar una nueva sustancia. 00:11:55
El problema que existe en el estado sólido es que hay veces que no se cumplen las reglas estequiométricas. 00:12:12
autométricas. Pues ¿por qué no? Porque no se cumplen. Entonces aparece lo que se conoce 00:12:18
con el nombre de compuestos intermetálicos. Un ejemplo típico es la ferrita, en el que 00:12:25
por cada tres hierros tenemos un carbono, que es lo que está ocurriendo, que el carbono 00:12:31
está metiéndose en los intersticios de la red del hierro y cuando se cumple esa proporción 00:12:38
parece que se forma un nuevo compuesto que se conoce con el nombre de cementita 00:12:45
y que es fundamental en la tecnología del acero 00:12:49
y bueno pues aquí tenemos un montón de ejemplos intermetálicos 00:12:52
por ejemplo otro ejemplo muy típico son en el duro aluminio el cobre aluminio 2 00:12:58
que como vemos no cumple las reglas estequiométricas en absoluto 00:13:05
Cobrecín tampoco cubre las reglas estequiométricas o por ejemplo incluso algún compuesto de cromo, algún carburo de cromo también es importante. 00:13:11
sobre todo, por ejemplo, para entender el comportamiento de los aceros inoxidables, 00:13:28
pues los carburos de cromo son también importantes, los carburos de polframio son también importantes, 00:13:35
porque se emplean, por ejemplo, en algunos aceros para herramientas. 00:13:44
Entonces, existen una serie de compuestos, que son compuestos pímicos, que son sustancias puras, 00:13:48
que tienen la particularidad de no ser estequiométricos y que generalmente lo que hacen es endurecer. 00:13:54
Su función principal en las aleaciones metálicas es dar lugar a endurecimiento. 00:14:02
De hecho, hay algo que se conoce con el nombre de endurecimiento por precipitación, 00:14:09
que es cuando se precipita en el seno de un sólido este tipo de partículas y se crea una dispersión. 00:14:14
Cuando estas partículas nacen a partir de una matriz cristalográficamente, la red cristalina tiene que adaptarse a la existencia de estas partículas y esa adaptación hace que aparezcan defectos en la red cristalina. 00:14:20
Y estos defectos lo que hacen, en definitiva, es anclar el movimiento de las dislocaciones. 00:14:38
Entonces, al anclar el movimiento de las dislocaciones, se endurece la matriz en la cual existen estas partículas. 00:14:46
Si pierden la coherencia, pues aún así endurecen la matriz, pero menos. 00:14:54
Menos que si son coherentes con la matriz y se dice que se han sobreenvejecido. 00:14:59
Entonces, cuando las partículas estas alcanzan determinado tamaño, solo es posible alcanzar esos tamaños si pierden la coherencia y se dice que la aleación está sobre envejecida. 00:15:05
La regla de las fases nos va a permitir hacer el estudio de lo que son los diagramas de equilibrio. 00:15:22
Es la regla de Gibbs que nos dice que fases más libertades es siempre componentes más los. 00:15:28
cuando hemos hablado 00:15:33
de las sustancias 00:15:37
bueno ya entramos 00:15:40
en lo que son los diagramas de equilibrio 00:15:42
o los diagramas de fase 00:15:44
aquí tenemos el ejemplo más simple de todos 00:15:45
que es el diagrama Cobrenique 00:15:47
que es un diagrama de fase 00:15:49
es un diagrama de equilibrio 00:15:51
pues en un diagrama de fase es un diagrama de equilibrio 00:15:53
se representan 00:15:55
las composiciones 00:15:57
de las fases 00:15:59
con respecto 00:16:00
de la temperatura 00:16:03
y de la composición de los distintos componentes. 00:16:04
Antes hemos hablado de la regla de las fases. 00:16:08
Sabemos que fases más libertades es igual a componentes más 2. 00:16:11
En este caso, ser dos componentes, pues componentes más 2 es 4. 00:16:17
Si tenemos dos fases en equilibrio, tenemos dos libertades. 00:16:21
Entonces, pues teniendo esto en consideración, 00:16:26
podemos trazar estas curvas temperatura-composición para la fase de líquido y para la fase de sólido. 00:16:29
Tenemos dos curvas principales. 00:16:39
La de líquidos, que lo que nos va es a representar la variación de la composición con la temperatura, 00:16:44
el equilibrio de esta fase, la fase de equilibrio con el sólido y la de sólido. 00:16:51
Entonces, nos da muchísima información y también nos permite entender cómo se produce el proceso. 00:16:57
una temperatura aproximada de 1.375 grados, ¿vale? A esa temperatura de 1.375 grados empieza a solidificarse una disolución sólida que tiene un 80 o un 82% de níquel. 00:17:28
Y está en equilibrio con ese líquido. El líquido sigue en equilibrio hasta el punto de final de solidificación, que es aproximadamente unos 1.325 más o menos, que sería este otro punto. 00:17:51
Entonces, desde 1375 a 1325, más o menos, se está produciendo la solidificación de esto y siempre en el líquido hay más cobre que en el sólido. 00:18:09
En el sólido se va empobreciendo paulativamente en níquel y el líquido se va enriqueciendo paulativamente en cobre. 00:18:31
Esto hace que durante el proceso de solidificación los granos tengan diferente composición y en algunas ocasiones va a ser necesario dar lo que es un tratamiento térmico de homogenización. 00:18:43
Aplicando la regla de la palanca, nosotros lo que vamos a poder saber es el porcentaje de líquido y de sólido para una determinada temperatura 00:18:55
Entonces, hemos visto anteriormente que hay un intervalo de temperaturas en el cual una determinada composición va solidificando 00:19:10
¿Vale? Supongamos que tenemos un 53%, una disolución, o sea, una mezcla con un 53% en níquel y que ocurre a 1300 grados. 00:19:23
Pues bueno, pues que se va a permanecer un líquido con un 45% en níquel y se está solidificando un sólido con un 58% de níquel. 00:19:38
¿Podemos saber qué proporción tenemos de cada uno? Pues sí, para ello aplicamos la regla de la palanca 00:19:50
Entonces la proporción del líquido es el trocito de la línea que está más alejada del líquido 00:19:56
O sea, en este caso es 58% menos 53% entre toda la línea que va desde 58% a 45% 00:20:06
Entonces, hallando ese porcentaje, eso expresado en porcentaje, es el líquido y da un 38%. 00:20:18
Esto nos va a permitir conocer la cantidad de fase de cada una de las fases y así podremos estimar las propiedades que va a tener ese material. 00:20:26
Bueno, muy comúnmente, evidentemente, tenemos dos componentes y no son sólidos al 100%. 00:20:42
Eso es lo más lógico y lo más típico. 00:20:51
Entonces, aquí hay una serie de reacciones, como por ejemplo la eutéctica, en la cual a una determinada temperatura un líquido se descompone en dos fases sólidas. 00:20:54
Cuando es un sólido el que se descompone en dos fases sólidas, entonces se llama eutectoide. 00:21:06
Luego otras dos reacciones muy típicas, una es la peritéctica que es cuando tenemos un líquido y una fase sólida que van a dar otra fase sólida y el peritectoide cuando tenemos dos fases sólidas en equilibrio a una determinada temperatura para dar una tercera fase sólida. 00:21:11
y luego pues esta es la reacción monotéctica en el que pues un líquido puede dar, 00:21:34
puede descomponerse en otro líquido y una fase sólida. 00:21:41
Las más típicas son la eutéctica y bueno en algunos casos la peritéctica. 00:21:45
La eutéctica y la eutectoide son muy importantes en la reacción eutéctica, 00:21:49
que es el que tenemos en este caso, ¿no? 00:21:55
Entonces, cuando tenemos un líquido como el que tenemos aquí a esa temperatura, 00:21:57
no pues se descompondrá en las fases en fases de estaño y plomo en este caso qué ocurre si 00:22:04
la composición inicial del líquido es diferente a la composición en práctica pues en cualquier caso 00:22:14
va a aparecer una fase que es productiva que si estamos así si nuestra composición es más 00:22:24
rica en estaño la fase pro eutéctica será más rica en estaño y si nuestra composición es más 00:22:33
rica en plomo pues la fase pro eutéctica será más rica en polomo de esta manera al solidificar esa 00:22:38
fase pro eutéctica el líquido remanente se va enriqueciendo en la sustancia que precise hasta 00:22:45
alcanzar la composición eutéctica y cuando alcanza la composición y temperatura eutéctica pues 00:22:54
Entonces nos aparece este eutéctico. ¿Por qué los eutécticos son tan interesantes? Porque realmente su forma de solidificar es muy parecida a la de una sustancia pura. Se hace a temperatura constante, van apareciendo las dos fases. 00:23:00
desde el punto de vista microscópico lo que ocurre es que se forman láminas 00:23:14
entonces al formarse una lámina de una fase que es rica en uno de los componentes 00:23:21
alrededor de esa lámina el líquido remanente se enriquece en el otro componente 00:23:28
Y de alguna forma hace que la solidificación y la creación de esa fase rica en el otro componente sea más fácil y así sucesivamente. 00:23:35
Entonces, vamos creando como una especie de sándwich. Tenemos, por ejemplo, el jamón y alrededor el pan. Entonces, la existencia de ese pan, por así decirlo, hace que sea más fácil que pongamos más jamón. Bueno, es una forma de hablar. 00:23:50
Uno de los diagramas que tiene mayor importancia desde el punto de vista tecnológico, lógicamente, es el diagrama de hierro-carbono, que es este que vemos aquí. 00:24:09
Es un diagrama muy complejo. Además, hay que tener en cuenta que no se estudia el diagrama entero, solo se estudia hasta el 6,67% en carbono. 00:24:21
Y hay que tener en cuenta que lo más importante está prácticamente por debajo del 2% en carbono, porque es donde se encuentran los aceros. 00:24:31
Como vemos, es un diagrama muy complejo. 00:24:41
En él hay una serie de fases que son especialmente interesantes. 00:24:43
Por ejemplo, tenemos una fase muy importante que es la fase gamma, que es la austenita. 00:24:48
Y que, como vemos, abarca toda esta zona roja del diagrama. 00:24:56
Luego tenemos una fase que es de hierro alfa, que es la ferrita, que también es muy importante. 00:25:01
La austenita es parte de un eutéctico que se denomina ledeburita y que solo aparece en las fundiciones 00:25:08
Y la ledeburita va a ser un eutéctico formado por austenita y por ferrita 00:25:19
La ferrita ya sabemos que es un intermetálico, hierro-carbono 00:25:27
Luego hay un eutectoide que solo aparece en los aceros, que se conoce con el nombre de perlita 00:25:31
y que es una mezcla de ferrita con cementita 00:25:38
y luego hay un tipo de aleación de hierro 00:25:42
y el hierro carbono que es la que se conoce como hierro delta 00:25:49
que da lugar a un peritéctico 00:25:52
pero que no es demasiado importante y no tiene muchas aplicaciones 00:25:55
el hierro delta aparece algunas veces en las aleaciones de carbono a altas temperaturas 00:25:59
pero tiene propiedades magnéticas y bueno, esa sí quizás sea su importancia en alguna de sus aplicaciones, pero no es especialmente importante. 00:26:05
Una cosa importante es que todos estos diagramas de equilibrio se alteran si aparecen otros compuestos. 00:26:15
Por ejemplo, la austenita se puede estabilizar con la presencia de níquel. 00:26:22
entonces en algunas ocasiones 00:26:28
pues es necesario utilizar 00:26:31
diagramas mucho más complejos 00:26:33
que son diagramas ternarios 00:26:35
y que no lo vamos a ver 00:26:37
ni lo vamos a mencionar porque 00:26:39
ya son muy muy complejos 00:26:40
y en esos diagramas ternarios 00:26:42
pues se representan 00:26:44
lo que se suele hacer es 00:26:46
unas representaciones en secciones 00:26:49
en una sección de una temperatura 00:26:50
y entonces se va escogiendo 00:26:53
lo que ocurre 00:26:55
en ese triángulo equilatero 00:26:57
y se van estudiando por 00:26:59
capas. Aún así 00:27:01
los diagramas ternarios 00:27:03
salvo casos muy puntuales 00:27:04
son poco importantes porque 00:27:07
dan poca información. Pero sí 00:27:09
saber que algunas de estas fases se pueden 00:27:11
estabilizar si aparece un tercer 00:27:13
componente. 00:27:15
Se puede decir 00:27:18
que ya estaría finalizada 00:27:21
con ello. Ahora, lo interesante 00:27:23
y lo bueno de esta lección 00:27:25
son los ejercicios numéricos 00:27:28
y yo creo que de ellos 00:27:30
sí que vais a aprender un poquito más 00:27:31
así que 00:27:33
pasamos a hacer ejercicios numéricos 00:27:34
que seguro 00:27:38
que con los ejercicios numéricos os va a quedar 00:27:40
todo muchísimo más claro 00:27:41
Idioma/s:
es
Autor/es:
ISABEL LAFUENTE
Subido por:
Isabel L.
Licencia:
Reconocimiento - No comercial
Visualizaciones:
68
Fecha:
22 de noviembre de 2018 - 21:08
Visibilidad:
Público
Centro:
IES JAIME FERRAN
Duración:
27′ 44″
Relación de aspecto:
1.78:1
Resolución:
1920x1080 píxeles
Tamaño:
461.78 MBytes

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