Enfriamiento de aleación binaria: Equilibrio de concentración

@FasEtNefas nos presenta esta cita:

Supongamos ahora que una mezcla binaria uniforme [por ejemplo, una aleación de metal CuCr] a alta temperatura y concentración u∗ se apaga repentinamente a una temperatura más baja dada. Una situación que ocurre comúnmente es que hay un par de valores de u [que es la concentración local de uno de los componentes], digamos u1 y u2, y un par de fases sólidas, denotadas por I y II, digamos, tales que el dos fases pueden estar en equilibrio y en contacto físico sólo si la primera tiene concentración u1 y la segunda tiene concentración u2.

Permítanme reformular la declaración anterior.

Considere una mezcla sólida binaria uniforme (p. ej., una aleación de metal FeNi) de una concentración específica u*(es decir, relación Ni/Fe). Comúnmente, por eso u*, cuando se enfría lo suficientemente rápido para apagar (a la temperatura Tq ), existirán dos (y generalmente no más de dos) posibles fases sólidas I y II con valores de concentración u₁ y u₂ , de modo que estén en equilibrio mientras están en contacto entre sí.

Las frases entre () son mi propio comentario.

@Gert, en su respuesta, plantea la preocupación:

Cuando dos sólidos están en contacto, no puede haber transferencia de masa entre ellos, en otras palabras, incluso si no se logró previamente el equilibrio (como es el caso del enfriamiento rápido), no tiene sentido afirmar que "las dos fases pueden estar en equilibrio".

En realidad es significativo. El equilibrio es un estado, no un proceso. Un conjunto de fases, mezclas, gases, líquidos, incluso plasmas, está en equilibrio si, en su conjunto , el sistema se encuentra en su Energía Libre de Gibb más baja posible . En la mayoría de los posibles pares de concentraciones en las supuestas fases I y II, esto no será cierto, por lo que si están en contacto, habrá transporte de átomos a través de los límites, incluso si toma millones de años (ver el patrón de Widmanstätten en Iron-Nickle meteoritos).

Generalmente, cuando se templa una aleación caliente, habrá la misma fase única con la concentración original u*, o dos fases de diferentes concentraciones, rara vez 3 o más.

Cuando se trata de dos o más fases, solo habrá un conjunto posible de concentraciones que cumplan con el requisito de energía libre de Gibb. Dado que el promedio ponderado de las concentraciones en las fases I y II (y posiblemente III) debe ser igual a la concentración original u*, la cantidad presente de cada fase tiene solo un conjunto de valores posibles en el equilibrio.

Los maestros herreros japoneses tradicionales usaban calentamiento, plegado en carbón, enfriamiento, repitiendo muchas veces, para hacer espadas extremadamente afiladas, fuertes y resistentes a la corrosión. Este acero C-Fe-Ni tenía granos extremadamente finos cercanos al equilibrio entre sí.

Considere este diagrama de fase perteneciente al manto de la Tierra:

En este diagrama, ✕ marca el punto (temperatura y concentración originales), lo sigue hacia abajo en la escala de temperatura hasta el límite entre tener una fase y dos fases. En esa transición, habrá una fase dominante de concentración A esencialmente equivalente a la original y una cantidad minúscula de concentración de fase B. Continuando con temperaturas más bajas, alcanzamos la temperatura actual o la temperatura de extinción (depende del contexto). A esa temperatura, habrá algo de cada fase, y las concentraciones de cada una de las dos fases serán C y D , que son equivalentes a u₁ y u₂ . la x-eje es la concentración. Álgebra te dirá cuánto de cada fase existe.

Eche un vistazo al siguiente diagrama de fase binario idealizado :

El eje vertical es la temperatura, el horizontal es la composición (en fracción molar, pero el % en peso también funcionaría aquí).

Digamos que comenzamos desde el punto 1. donde la aleación es completamente líquida con una composición bien definida, digamos$u$. Ahora nos enfriamos, siguiendo la línea roja. En algún momento llegamos a la línea negra líquido-sólido . La composición de la masa fundida frente a la temperatura ahora sigue la línea líquido-sólido , por lo que ahora tenemos dos composiciones$u_l$y$u_s$que van cambiando, hasta llegar a la línea negra horizontal, donde todo es sólido.

El diagrama está idealizado porque supone que la solubilidad de A en el sólido B es cero y la solubilidad de B en el sólido A es cero: por lo tanto, la fase sólida está formada por cristales de A y B en una proporción que respeta la composición original.$u$.

Sin embargo, su pregunta se refiere al enfriamiento (enfriamiento muy rápido) durante el cual no se logran las condiciones de equilibrio descritas en el diagrama y se obtienen dos fases sólidas que contendrán algo de A y algo de B. Para lograr el equilibrio en cada punto de la solidificación lleva tiempo y eliminar los 'cuellos de botella' en ese momento porque es un proceso muy rápido.

Tengo que añadir que encontré la siguiente frase bastante extraña:

[...] que las dos fases pueden estar en equilibrio y en contacto físico sólo si la primera tiene concentración$u_1$y este último tiene concentración$u_2$.

Cuando dos sólidos están en contacto, no puede haber transferencia de masa entre ellos, en otras palabras, incluso si no se logró previamente el equilibrio (como es el caso del enfriamiento rápido), no tiene sentido afirmar que "las dos fases pueden estar en equilibrio".

Espero que esto ayude.