2.1. Solidificación

La cristalización o formación de los cristales tiene lugar mediante un proceso de solidificación. En los metales puros la solidificación se hace a temperatura constante (Fig. 2.3a), aunque en determinadas condiciones la masa líquida debe permanecer a una temperatura inferior a la de fusión (fenómeno de subfusión, Fig. 2.3b).

La subfusión es un fenómeno inestable, pues una pequeña perturbación hace que comience la solidificación y se absorba energía en forma de calor, justamente la que había cedido al subenfriar.

En los metales con solución de otros elementos, en general, la temperatura no permanece constante en el proceso de solidificación (Fig. 2.3c).

 

 

Tabla 2.1. Temperatura de solidificación, calor latente de fusión, calor específico y subenfriamiento de algunos metales (los datos pueden variar ligeramente según la fuente consultada).

2.2. Energía necesaria para llevar un metal al estado líquido

Puesto que los metales no se encuentran en estado líquido en la naturaleza, es preciso realizar una fusión de estos. Vamos a calcular, sin tener en cuenta las pérdidas, la energía precisa para elevar la temperatura desde 25°C hasta la temperatura de fusión, dada por: Q = mc∆t

donde: Q = energía que se debe aportar para elevar la temperatura hasta la de fusión (cal).

m = masa de metal que hay que fundir (g).

c = calor específico del metal (cal/g · °C).

Δt = variación de temperatura hasta alcanzar la de fusión (°C).

La necesaria para el cambio de estado vendrá dada por: Q = mc

donde: Q = energía necesaria para el cambio de estado (cal).

m = masa de metal que se va a fundir (g).

C = calor latente de fusión (cal/g).

2.3. Etapas de solidificación

En la solidificación de un metal o aleación se dan las siguientes etapas:
 

• Nucleación o formación de núcleos estables solidificados en la masa fundida (Fig. 2.4a). Para ello es preciso un subenfriamiento de forma que los embriones iniciales de sólido puedan crecer y proporcionar auténticos núcleos.
• Cristalización o crecimiento del núcleo (Fig. 2.4b) en las tres direcciones del espacio, en las denominadas ‘dendritas' (Fig. 2.4d), para dar origen a cristales con estructura típica de los metales.
• Formación del grano. Los cristales anteriores van dando a su vez origen a una estructura granular que se junta con la que proviene de otro lugar en los límites de grano (Fig. 2.4c). En metalurgia interesa que el tamaño de estos granos sea pequeño, ya que se obtienen mejores propiedades mecánicas al existir mayor número de núcleos de cristalización.

Cuando los metales solidifican en un molde (Fig. 2.5), en las paredes de este hay mayor velocidad de enfriamiento que hacia el núcleo y, además, el metal se adhiere al molde, lo que favorece la formación de núcleos de cristalización, con lo que se forma gran cantidad de granos cristalinos. En cambio, a una cierta distancia de la pared del molde, la velocidad es más lenta y hay menos núcleos de cristalización, por lo que los granos son mayores; se forman como columnas en dirección perpendicular a la pared.

También, durante el enfriamiento, el metal se contrae, con lo que pueden aparecer defectos, como los rechupes y las sopladuras, originados por la falta de metal líquido en la superficie libre del molde o en el interior, respectivamente (Fig. 2.6).

 

 

2.4. Regla de las fases de Gibbs

Cada una de las sustancias o elementos químicos que forman un sistema material se denomina componente. A modo de ejemplo, el acero está formado por una aleación de dos componentes, hierro (Fe) y carburo de hierro (Fe₃C).

En los elementos puros, «fase» es sinónimo de «estado». Por ejemplo, dentro del sistema agua pueden existir tres fases: la sólida (hielo), la líquida y la gaseosa (vapor de agua).

Las fases no tienen por qué estar formadas por elementos químicos puros, sino que pueden estar constituidas por compuestos químicos, aleaciones o disoluciones. El sistema material agua salada-hielo está formado por dos fases: una es la solución salina, formada a su vez por agua más NaCl; y otra, el hielo.

El número de variables que podemos modificar libremente (temperatura, presión, concentración, etc.) reciben el nombre de grados de libertad.

Josiah Willard Gibbs, en sus estudios termodinámicos, obtuvo una ecuación que permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio dentro de un sistema material. Dicha fórmula, conocida como regla de las fases de Gibbs, se puede expresar como:

F + N = C + 2

donde: F = número de fases que pueden coexistir.

N = grados de libertad o variables de estado (por ejemplo: presión, temperatura, concentración).

C = número de componentes de un sistema material.

 

Ejemplo 4

subtitulo

Vamos a aplicar la regla de Gibbs al diagrama de fases regulado por las variables presión-temperatura (P-T) del agua pura (Fig. 2.7). Estudiaremos qué ocurre en el punto triple del diagrama y obtendremos las siguientes consecuencias:

• Coexisten tres fases en equilibrio: sólido, líquido y vapor.
• El número de componentes es uno: el agua.
   

Se puede calcular el número de grados de libertad aplicando la regla de las fases:

F + N = C + 2 ⇒ 3 + N = 1 + 2 ⇒ N = 0 (cero grados de libertad)

Consecuencia: ninguna de las variables (P-T) se puede modificar. Se dice que el punto triple es un punto invariante.
Nos fijamos ahora en la curva de solidificación sólido-líquido, y se observa que en cualquier punto A de esa curva coexisten dos estados o fases. Se aplica la regla de fases:

 

 

F + N = C + 2 ⇒ 2 + N = 1 + 2 ⇒ N = 1 (un grado de libertad)

Consecuencia: una variable (T, P) puede cambiar manteniendo un sistema donde coexisten dos fases. A una presión determinada, solo existe una temperatura en que las dos fases sólido-líquido coexisten.
Consideremos, por último, un punto cualquiera B dentro de una fase única. Se tiene que el número de fases es uno, y aplicando la regla de fases:

F + N = C + 2 ⇒ 1 + N = 1 + 2 ⇒ N = 2 (dos grados de libertad)

Consecuencia: se pueden modificar dos variables (P y T), y el sistema permanecerá en una única fase.

2.5. Diagramas de equilibrio de fases. Regla de la palanca

Toda la información sobre la estructura de fases de una aleación determinada se encuentra presente en los llamados diagramas de fases, de equilibrio o constitucionales. A partir de las transformaciones de fases y de los cambios que ocurren entre ellas al modificar la temperatura (subenfriamiento), se originan la mayoría de las microestructuras, lo que implica la transformación de una fase en otra o la aparición o desaparición de esta. La utilidad de los diagramas de fases consiste en la posibilidad de predecir las transformaciones y las microestructuras resultantes de los cambios de fase, que pueden estar o no en equilibrio.

Los diagramas de equilibrio de fases representan la relación entre la estructura, la composición y el número de fases presentes en el equilibrio, así como las transformaciones que se producen desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente. Existen diferentes diagramas, pero la temperatura, la presión y la composición son los parámetros variables principales de las aleaciones binarias (dos componentes). Pueden existir más de dos componentes, y, en consecuencia, los diagramas se complican y su representación es más difícil. No obstante, como la presión suele ser la atmosférica, solamente quedan dos variables: la temperatura y la composición.
 

 

 

En los diagramas, por regla general, a las diferentes fases se las denomina con letras griegas (excepto al material fundido, que simplemente se llama «líquido»).

Con el uso de estos diagramas se puede determinar la composición o el porcentaje de cada fase para una concentración y temperatura determinadas de los materiales que entran en la aleación (Fig. 2.8). La figura representa una aleación binaria: a la izquierda se ha representado un elemento A y a la derecha un elemento B. Desde A a B vamos de una concentración del 0% de B al 100% de B; en cambio, de B a A iremos de una concentración del 0% de A al 100% de A.

Analicemos la Figura 2.8 para una concentración dada, por ejemplo, 40% de B (línea vertical larga). En esta figura se presenta un diagrama con dos fases, α y β. Al disminuir la temperatura, la fase α va paulatinamente convirtiéndose en la β, pero hasta que esto sucede pueden coexistir las dos fases en el seno de la aleación. Estudiemos una serie de puntos:

P₁. En esta zona solamente hay fase α, así será hasta bajar a la línea que se denomina línea de fase α. El 100% de la aleación se encuentra en fase α.

P₂. Es un punto sobre la línea de fase α; a partir de aquí comenzará a aparecer la fase β.

P₃. Este punto es el más interesante del estudio, pues en esa zona conviven las fases α y β, con lo que se debe averiguar el porcentaje de cada una. Para ello se aplica la denominada regla de la palanca.

1. En la temperatura T₃, correspondiente al punto de estudio, se traza un segmento horizontal (isoterma) que corta en los puntos C_α, en la línea de fase α y C_β, en la línea de fase β. A cada uno de estos puntos les corresponde una concentración: en el ejemplo que seguimos, son 60% y 25% las concentraciones de B en la aleación.

2. La fracción de una fase, por ejemplo α, se calcula midiendo la longitud del segmento de la isoterma (también denominada recta de reparto), desde la concentración de la aleación (P₃) hasta el límite de la otra fase, en este caso la β, y dividiéndola por la longitud total del segmento de isoterma. Así:

Luego de fase α se tiene un 42,86% en la aleación que se encuentra en las condiciones del punto P₃, es decir, con una concentración del 40% de B y a temperatura T₃.

Para la otra fase se procede de la misma forma:

Luego de fase β se tiene un 57,14% en la aleación que se encuentra en las condiciones del punto P₃, es decir con una concentración del 40% de B y a temperatura T₃.

Obsérvese que para pasar de fracción (o tanto por uno) a porcentaje (o tanto por cien) simplemente se multiplica por 100.

P₄. Es un punto sobre la línea de fase β donde desaparece la fase α y, a partir de aquí, comenzará a presentarse solamente la fase β.

P₅. Ahora se está como al principio, pero con el 100% de fase β.

A continuación, se aplica lo visto a una serie de aleaciones de dos componentes, como son:
 

• Aleaciones totalmente solubles en estado líquido y sólido.
• Aleaciones totalmente solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido.
• Aplicación a la aleación Fe-C (acero).
• Aleaciones con transformaciones en estado sólido (se aplicará al caso de la aleación Fe‑C).
• Por último, se estudiará en particular el diagrama Fe-C de forma semejante a como se ha realizado en este ejemplo.