🔩 Diagrama de Fases de Aleación — Eutéctico Binario

La regla de fases de Gibbs, F = C − P + 2 (o F = C − P + 1 para diagramas a presión fija), da el número de grados de libertad F: C = número de componentes, P = número de fases. Para un sistema binario (C = 2) en un punto eutéctico donde coexisten tres fases (líquido + α + β, así que P = 3), F = 2 − 3 + 1 = 0: la temperatura y ambas composiciones de fase están completamente fijas. Estos cero grados de libertad son la razón por la que el eutéctico ocurre a una única temperatura invariante — el «invariante eutéctico».

Las aleaciones hipoeutécticas (composición a la izquierda del punto eutéctico) comienzan a solidificar precipitando dendritas primarias de α a medida que el líquido se enfría por debajo del liquidus. El líquido restante se enriquece progresivamente hacia la composición eutéctica, momento en el que se transforma en eutéctico laminar. Las aleaciones hipereutécticas (a la derecha del eutéctico) precipitan β primaria en su lugar. En la composición eutéctica exacta, no se forma ninguna fase primaria: toda la masa fundida se transforma de una vez en eutéctico fino, dando la microestructura más fina y a menudo las mejores propiedades mecánicas para aplicaciones de fundición.

Los elementos puros se funden a una temperatura precisa porque tienen un solo componente (C = 1): con líquido y sólido en equilibrio, F = 1 − 2 + 1 = 0, fijando tanto T como la composición (trivialmente). Para una aleación binaria, C = 2 y con dos fases, F = 1: hay un grado de libertad, que es la temperatura. A medida que cambia la temperatura, tanto la composición del líquido como la del sólido cambian (siguiendo el liquidus y el solidus), así que la aleación se funde gradualmente en un «rango pastoso» entre las temperaturas del solidus y el liquidus.

Muchos sistemas binarios forman compuestos intermetálicos — estructuras cristalinas ordenadas en estequiometrías específicas donde los dos elementos se enlazan con una coordinación diferente a la de los metales puros. En el sistema Fe-C, la cementita Fe₃C (6.67% en peso de C) es el intermetálico clave. En las aleaciones Al-Cu, θ-CuAl₂ (53% en peso de Cu) es el principal intermetálico de endurecimiento en el aluminio de aviación endurecido por envejecimiento. Estos compuestos aparecen como líneas verticales (compuestos de línea) o regiones estrechas en el diagrama de fases y suelen ser frágiles, actuando como concentradores de tensión si forman películas continuas en los límites de grano.

Cu y Ni son completamente miscibles tanto en estado líquido como sólido porque tienen la misma estructura cristalina (FCC), radios atómicos similares (Cu 128 pm, Ni 124 pm), electronegatividades similares, y la misma valencia. Esto hace del sistema Cu-Ni uno de los diagramas de fase «isomorfos» más simples — una única región bifásica en forma de lente entre un liquidus y un solidus suaves. La aleación Monel (67% Ni, 33% Cu) tiene una excelente resistencia a la corrosión en agua de mar y se usa en herrajes marinos y equipos de plantas químicas precisamente porque es una solución sólida monofásica en todo el rango sólido.

Los diagramas de fase guían los ciclos de temperatura y tiempo usados en los tratamientos térmicos. El recocido de solución (calentar hasta la región monofásica para disolver precipitados), el temple (enfriamiento rápido para congelar una solución sólida sobresaturada), y el envejecimiento (calentar a una temperatura más baja para precipitar partículas finas mediante nucleación controlada) aprovechan todos los límites del diagrama de fases. En las aleaciones Al-Cu, el tratamiento de solución a 500 °C (α monofásico), temple en agua, y luego envejecimiento a 150 °C produce zonas GP y precipitados θ', aumentando el límite elástico de ~100 MPa a más de 400 MPa.

Una reacción peritéctica es lo inverso de una eutéctica: en lugar de que un líquido forme dos sólidos al enfriarse, un sólido reacciona con líquido al enfriarse para formar un sólido diferente: α + Líquido → β. Ocurre en muchos sistemas técnicamente importantes, incluyendo Fe-C cerca del 0.1% C (formando austenita a partir de ferrita delta y líquido) y los bronces Cu-Sn. A diferencia del eutéctico, la reacción peritéctica suele ser cinéticamente lenta porque la fase β recién formada recubre las partículas de α, impidiendo más reacción y provocando segregación en núcleo (inhomogeneidad composicional) en aleaciones fundidas.

Cuando una aleación se solidifica en un rango de temperaturas (zona pastosa), el primer sólido en formarse es más rico en el componente de mayor punto de fusión mientras que el último líquido se enriquece en el de menor punto de fusión. Esta variación composicional se llama microsegregación o segregación en núcleo, y crea variaciones locales de dureza, resistencia a la corrosión y ductilidad dentro de cada grano. El recocido de homogeneización a alta temperatura (por debajo del solidus) durante varias horas o días permite que la difusión en estado sólido iguale la composición. La colada continua industrial usa agitación electromagnética para reducir la segregación en grandes lingotes de acero.