Fundamentos del Equilibrio Termodinámico y Diagramas de Fases en Metalurgia

Equilibrio de un sistema

Un sistema permanece en equilibrio cuando las fases que lo integran no experimentan evolución en función del tiempo, a menos que se le suministre energía. Cuando el sistema se desplaza de la posición de equilibrio, intercambia energía con el exterior. El estado de equilibrio se caracteriza por ser el de menor contenido energético.

Factores de equilibrio de un sistema

Existen dos posibilidades cuando un sistema se encuentra en equilibrio:

• Equilibrio estable: Cuando, al variar algunos de los factores de equilibrio, este no se altera.
• Equilibrio inestable: Cuando el equilibrio se mantiene solo para determinados valores de los factores.

Variables extensivas e intensivas

• Variables extensivas: Si al fusionar dos sistemas idénticos, una determinada propiedad común a ambos adquiere el doble de valor.
• Variables intensivas: Si la propiedad sigue teniendo el mismo valor que en cada uno de los sistemas por separado. La temperatura (Tª) y la presión se consideran independientes.

Varianza o grados de libertad

Cuando un sistema está en equilibrio estable, el número de variables intensivas se puede modificar arbitrariamente dentro de ciertos límites sin que el equilibrio se destruya.

Regla de las fases

1. Si V < 0: En un sistema metálico, implica que hay más ecuaciones que incógnitas; en consecuencia, es un equilibrio imposible.
2. Si V = 0: El sistema es invariante y solo puede existir el equilibrio a una temperatura determinada; fuera de esta, el equilibrio se destruye.
3. Si V ≥ 1: El sistema se encuentra en equilibrio estable, ya que tendremos la libertad de variar la temperatura o las concentraciones de las fases sin alterarlo.

Diagramas de equilibrio

El equilibrio de un sistema depende de las fases que en él existen. Los factores más decisivos para la marcha de las transformaciones son la concentración y la temperatura. Se distinguen tres líneas principales:

• Liquidus: Conjunto de puntos en los que comienza la solidificación.
• Solidus: Conjunto de puntos en los que termina la solidificación.
• Líneas de transformación.

Aleaciones binarias

Se obtienen tomando en abscisas las concentraciones en un segmento rectilíneo dividido en 100 partes, en cuyos extremos se sitúan los metales puros.

Sistemas de aleaciones binarias

Al alear dos metales, mientras se hallen en estado líquido, pueden darse tres casos:

• Que sean completamente insolubles.
• Que sean parcialmente solubles.
• Que sean completamente solubles.

Al solidificar, puede suceder:

• Que la solubilidad total en estado líquido subsista en el estado sólido, originando soluciones de sustitución o de inserción.
• Que la solubilidad en estado sólido sea completamente nula.
• Que sea parcial.
• Que se formen fases intermedias.