Transformaciones de Fase

Definición de transformaciones de fase

El ejemplo clásico de este fenómeno puede representarse mediante el calentamiento y enfriamiento del hierro puro:

Aquí, las transformaciones son el resultado de la alteración de la temperatura, que cambia la estructura cristalina del hierro de cúbica centrada en el cuerpo (bcc) a cúbica centrada en la cara (fcc), y viceversa. Éste es un ejemplo de transformación de fase alotrópica.

Matemáticamente, estas transformaciones pueden determinarse utilizando la Regla de las Fases de Gibbs, que establece que el número de variables independientes \(F\) en un sistema en equilibrio viene dado por, \[ F = C - P + 2 \] donde \(C\) es el número de componentes y \(P\) es el número de fases.

Ejemplos reales de transformaciones de fase

Si comprendes el impacto de estas transformaciones en las propiedades físicas de los materiales, podrás predecir y controlar mejor su comportamiento en una serie de aplicaciones.

Una mirada en profundidad a las transformaciones de fase en los metales

Los metales, compuestos intrínsecamente de microestructuras, sufren transformaciones de fase debido a varios factores que influyen, como la temperatura, la presión y el tiempo. Estas transformaciones tienen profundas implicaciones para las propiedades, la funcionalidad y la utilización de los metales. Por tanto, comprender estas transformaciones es fundamental para el perfeccionamiento y la optimización de los materiales metálicos en los campos de la ingeniería y la metalurgia.

El papel de la temperatura en las transformaciones de fase de los metales

La temperatura desempeña un papel integral en la inducción de las transformaciones de fase en los metales. Estas transformaciones suelen clasificarse como de equilibrio o de no equilibrio en función de lo sistemáticamente que se producen en respuesta a las variaciones de temperatura. En una transformación de fase de equilibrio, se permite que un metal ajuste su microestructura a cada temperatura durante el proceso de calentamiento o enfriamiento. Esto da a los átomos tiempo suficiente para difundirse y reorganizarse en la formación termodinámicamente más estable.

Sin embargo, las condiciones de procesamiento del mundo real no suelen permitirse esos lujos de tiempo. La mayoría de los tratamientos industriales de los metales implican cambios rápidos de temperatura que dan lugar a transformaciones de fase no equilibradas. En este caso, las transformaciones vienen dictadas por factores cinéticos, dando lugar a una plétora de microestructuras metaestables.

La temperatura de transformación es la temperatura a la que la fase original empieza a transformarse en la nueva fase. Para cada tipo de transformación de fase, cada metal tiene un diagrama de transformación de fase o diagrama de fases único que describe qué fases están presentes a una temperatura determinada. Matemáticamente, se emplean diversos modelos, como el modelo de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK), para controlar estas transformaciones. La ecuación JMAK es, \[ X(t) = 1 - \exp \left( -k t^n \right) \] donde \(X(t)\) representa la fracción de material que se ha transformado en el tiempo \(t\), \(k\) es una constante de velocidad dependiente de la temperatura, y \(n\) es el exponente de Avrami, que varía en función del mecanismo de transformación.

Cómo influyen las transformaciones de fase en las propiedades de los metales

Las transformaciones de fase en los metales provocan alteraciones drásticas en sus propiedades. Cuando un metal sufre una transformación de fase, las características de su nueva fase -como la estructura cristalina, la resistencia mecánica, la densidad y las propiedades eléctricas- pueden variar significativamente respecto a las de su fase inicial.

La influencia sustancial de las transformaciones de fase en las propiedades de los metales se aprovecha en diversas aplicaciones industriales. Por ejemplo, en la producción de acero, los ajustes de la velocidad de enfriamiento pueden inducir diferentes transformaciones de fase, dando lugar a microestructuras distintas como la martensita, la bainita o la perlita, cada una con propiedades únicas. La dureza de la martensita la hace adecuada para los aceros de herramientas, mientras que la ductilidad y tenacidad de la perlita encuentran aplicaciones en los aceros estructurales.

Además, las transformaciones de fase también son cruciales en procesos como el endurecimiento por envejecimiento de las aleaciones de aluminio, donde los tratamientos térmicos facilitan una secuencia de transformaciones que conducen a la precipitación de partículas de segunda fase, lo que refuerza las aleaciones.

Armado con estos conocimientos, puedes comprender cómo el control de las transformaciones de fase ofrece la oportunidad de adaptar los metales para satisfacer requisitos funcionales específicos, allanando el camino para avances en tecnología, arquitectura, sanidad y muchos más sectores.

Características de las transformaciones de fase

Las transformaciones de fase, vitales tanto en los procesos naturales como en las aplicaciones industriales, se caracterizan por una serie de rasgos específicos que las convierten en formas únicas de cambio físico. Se producen en unas condiciones determinadas e implican el paso a un estado energéticamente más favorable.

Características principales de las transformaciones de fase

Entre las características pertinentes que definen las transformaciones de fase se incluyen:

• Estados de transformación: El proceso implica la transformación de una fase en otra: sólido a líquido (fusión), líquido a gas (evaporación), sólido a gas (sublimación) y sus procesos inversos son ejemplos de transformaciones de fase.
• Cambios de energía: Toda transformación de fase suele ir acompañada de un intercambio de energía térmica: se absorbe energía durante la fusión, la evaporación y la sublimación, mientras que se libera durante la congelación, la condensación y la deposición.
• Condiciones de presión y temperatura: Las transformaciones de fase dependen fundamentalmente de condiciones específicas de temperatura y presión: los cambios en estas variables pueden determinar la dirección y el alcance de una transformación de fase. Por ejemplo, un aumento de la presión hace que los gases se conviertan en líquidos y después en sólidos, mientras que un aumento de la temperatura hace que los sólidos se conviertan en líquidos y después se vaporicen en gases.
• Sistema termodinámico: Las transformaciones se definen en términos de un sistema termodinámico que pasa de un estado a otro, normalmente de un estado menos estable a otro más estable y de menor energía.
• Irreversibilidad: Una vez completada la transformación de fase, el proceso a menudo no puede invertirse, o si puede, es en condiciones específicas -especialmente en el caso de las transformaciones de segundo orden.

Profundicemos un poco más en estas características:

Estados de transformación:Una fase representa una porción uniforme de un material, que tiene las mismas propiedades físicas y químicas. Dos fases idénticas separadas por un límite de fase constituyen un sistema bifásico. Las transformaciones de fase hacen que los materiales transiten entre estos estados, sirviendo como factor diferenciador de otros fenómenos físicos.

Cambios energéticos:Las transformaciones de fase implican un cambio en la estructura de la materia, por lo que provocan cambios energéticos. Acontecimientos como la fusión o la evaporación exigen energía (endotérmica) para vencer las fuerzas intermoleculares, mientras que transiciones como la congelación o la condensación liberan energía (exotérmica).

Condiciones de presión y temperatura:Un factor crucial para iniciar un cambio de fase es la temperatura o la presión. Por ejemplo, el agua sometida a una temperatura inferior a 0 °C (a presión normal) se congelará y se convertirá en hielo, mostrando una transformación de fase sólido-líquido. Del mismo modo, las transformaciones de fase inducidas por la presión son un fenómeno típico del manto terrestre debido a las presiones extremas existentes.

Sistema termodinámico:Las transformaciones de fase entran dentro de un tema crucial de la termodinámica, que se centra en los cambios energéticos del sistema. Las fases tienden siempre hacia el estado energéticamente más favorable (menor energía libre de Gibbs). La energía libre de Gibbs, G, viene dada por: \[ G = H - TS \] donde H es la entalpía, T la temperatura absoluta y S la entropía. Para que se produzca una transformación de fase, \(\Delta G\) debe ser negativo.

Irreversibilidad:Los caminos que siguen los elementos y compuestos durante la transformación de fase suelen ser irreversibles, en el sentido de que, una vez formada, la nueva fase no se degrada o sólo es degradable en condiciones específicas. Esto es especialmente cierto en las transformaciones no equilibradas, impulsadas cinéticamente, en las que la nueva fase queda "atrapada" en un estado metaestable.

Recuerda que, aunque estas propiedades hacen de las transformaciones de fase un estudio fascinante, en los escenarios del mundo real surgen complejidades. Las transformaciones asíncronas y las transformaciones en condiciones no ideales suelen dar resultados inesperados, lo que hace que el campo de las transformaciones de fase esté en constante evolución y resulte intrigante.

Diagramas de transformación de fase simplificados

Los diagramas de transformación de fase son herramientas inestimables, que proporcionan un mapa gráfico de cuándo y cómo se producen las transformaciones de fase en condiciones de equilibrio. Describen la estabilidad de las distintas fases en relación con la temperatura y la composición del sistema, y ayudan a comprender el impacto del calentamiento y el enfriamiento controlados en la transformación de fases y las propiedades de los materiales.

Lectura e interpretación de los diagramas de transformación de fases

Los diagramas de fases son, en realidad, una hoja de ruta para ilustrar cómo se comportará un determinado material en diferentes condiciones de temperatura y presión. Dos de los diagramas a los que se hace referencia con más frecuencia son los diagramas de fase unarios, o de un solo componente, y los diagramas de fase binarios, o de dos componentes.

El diagrama de fase unario representa el comportamiento de fase de una sustancia pura, mientras que el diagrama de fase binario representa el comportamiento de fase de una mezcla de dos sustancias diferentes. En un diagrama unario, la dimensión vertical suele representar la presión, mientras que la dimensión horizontal representa la temperatura.

En cambio, en un diagrama de fase binaria, el eje vertical sigue representando la temperatura, pero el eje horizontal corresponde ahora a la composición, expresada como porcentaje másico o porcentaje molar de un componente. El diagrama se divide en regiones, cada una de las cuales representa una sola fase o varias fases, que estipulan el estado del material en determinadas condiciones de temperatura y composición.

Una característica importante en los diagramas de fases binarias es el límite de solubilidad. Esta línea define la concentración máxima del soluto que el disolvente puede mantener a esa temperatura concreta. A la izquierda de esta línea, el material es completamente sólido, mientras que a la derecha, es una mezcla de líquido y sólido

Otra línea crítica con la que te encontrarás es la línea de liquidus. Por encima de esta línea, los materiales se encuentran en estado líquido. También existe la línea solidus; por debajo de esta línea, el material es totalmente sólido. La región entre las líneas liquidus y solidus es donde se encuentra la mezcla de líquido y sólido.

Aprender a leer los diagramas de fase puede ser muy útil cuando se trabaja con materiales. Te permite predecir los cambios de fase que se producirán en un material a distintas temperaturas y, en consecuencia, modificar las propiedades del material alterando sus composiciones de fase. Esto puede conducir al desarrollo de nuevos materiales adaptados a aplicaciones concretas.

Diferentes tipos de transformaciones de fase

Las transformaciones de fase se clasifican en varios tipos en función de una serie de factores como la naturaleza del cambio de fase, la fuerza impulsora y el mecanismo de transformación. Comprender estos distintos tipos proporciona una visión crítica del comportamiento de los materiales en distintas condiciones.

Tipos comunes de transformación de fase

Hay varios tipos de transformaciones de fase que se encuentran en el estudio de la ciencia de los materiales. Algunas de las que se observan con más frecuencia son:

• Transformaciones eutectoides
• Transformaciones eutécticas
• Transformaciones peritécticas
• Transformaciones congruentes
• Transformaciones incongruentes

- Transformación eutectoide : Una Transformación Eutectoide tiene lugar cuando un sólido se transforma en dos sólidos diferentes. Esta transformación se produce a una temperatura y composición fijas. Un ejemplo clásico es la transformación de austenita en perlita en las aleaciones hierro-carbono.

- Transformación eutéctica: Esta transformación es un reflejo de la Transformación Eutectoide, pero implica la transición de un líquido a dos fases sólidas diferentes.

- Transformación peritéctica : Una Transformación Peritéctica implica la reacción entre un sólido y un líquido para dar lugar a una fase sólida diferente. Al igual que las transformaciones eutectoide y eutéctica, se produce en condiciones predeterminadas de temperatura y composición.

- Transformación congruente : En una Transformación Congruente, la transformación de fase se produce de tal manera que no hay cambios en la composición del sistema. Por ejemplo, cuando el grafito se transforma en diamante en condiciones de alta presión, la composición (carbono puro) sigue siendo la misma, por lo que esta transformación es congruente.

- Transformación Incongruente: Por el contrario, una Transformación Incongruente implica un cambio en la composición del sistema. Por ejemplo, cuando se calienta la piedra caliza (carbonato cálcico), se descompone para formar óxido cálcico y dióxido de carbono. Este cambio de composición caracteriza la transformación como incongruente.

Comprender las diferencias entre los tipos de transformación de fase

Es importante comprender las diferencias entre estas transformaciones de fase, ya que cada tipo da lugar a microestructuras finales únicas y, por tanto, a propiedades macroscópicas diferentes:

• Transformaciones eutectoides frente a eutécticas: Aunque estas dos transformaciones se parecen en que ambas implican la transformación de una fase en dos, hay una diferencia clara. En una Transformación Eutectoide, una única fase sólida se transforma en otras dos fases sólidas. En cambio, en una transformación eutéctica, una fase líquida se transforma en dos fases sólidas diferentes. Debido a estas diferencias, dan lugar a dos microestructuras distintas.
• Transformaciones Eutécticas vs Peritécticas: Estos dos tipos de transformación se diferencian por sus fases iniciales. Mientras que una Transformación Eutéctica comienza con una única fase líquida, una Transformación Peritéctica implica que un sólido y un líquido reaccionan para formar una nueva fase sólida.
• Transformaciones Congruentes vs Incongruentes: La diferencia clave entre estas dos transformaciones es el cambio de composición. En las Transformaciones Congruentes, la composición del sistema permanece inalterada; por ejemplo, cuando el diamante (carbono puro) se transforma en grafito (también carbono puro). En las Transformaciones Incongruentes, la composición del sistema cambia. Por ejemplo, cuando la piedra caliza (carbonato cálcico) se transforma en óxido cálcico y dióxido de carbono al calentarse.

En esencia, la naturaleza de las fases inicial y final, sus cantidades y los cambios de composición definen estos distintos tipos de transformaciones. Son importantes para desarrollar y optimizar los procesos en la fabricación de materiales, manipulando estas vías de transformación para fomentar las propiedades deseables de los materiales.