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Liquidus y solidus

Si bien los materiales químicamente puros tienen un único punto de fusión , las mezclas químicas suelen fundirse parcialmente a la temperatura conocida como solidus ( T<sub> S</...

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Si bien los materiales químicamente puros tienen un único punto de fusión , las mezclas químicas suelen fundirse parcialmente a la temperatura conocida como solidus ( T<sub> S</sub> o T<sub> sol</sub> ) y completamente a la temperatura más alta de liquidus ( T <sub> L </sub> o T<sub> liq</sub> ). El solidus siempre es menor o igual que el liquidus, pero no necesariamente coinciden. Si existe un intervalo entre el solidus y el liquidus, se denomina intervalo de congelación, y dentro de ese intervalo, la sustancia consiste en una mezcla de fases sólida y líquida (como una suspensión ). Tal es el caso, por ejemplo, del sistema olivino ( forsterita - fayalita ), común en el manto terrestre . [ 1 ]

Definiciones

Diagrama de fases de equilibrio de una solución sólida compuesta por mezclas de α y β. La curva superior es la línea de liquidus y la curva inferior es la línea de solidus.

En química , ciencia de los materiales y física , la temperatura liquidus especifica la temperatura por encima de la cual un material es completamente líquido, [ 2 ] y la temperatura máxima a la cual los cristales pueden coexistir con el fundido en equilibrio termodinámico . El solidus es el lugar geométrico de temperaturas (una curva en un diagrama de fases ) por debajo de las cuales una sustancia dada es completamente sólida (cristalizada). La temperatura solidus especifica la temperatura por debajo de la cual un material es completamente sólido, [ 2 ] y la temperatura mínima a la cual un fundido puede coexistir con cristales en equilibrio termodinámico .

Las líneas de liquidus y solidus se utilizan principalmente para sustancias impuras (mezclas) como vidrios , aleaciones metálicas , cerámicas , rocas y minerales . Estas líneas aparecen en los diagramas de fases de soluciones sólidas binarias , [ 2 ] así como en sistemas eutécticos alejados del punto invariante. [ 3 ]

Cuando la distinción es irrelevante

Para elementos o compuestos puros, por ejemplo cobre puro, agua pura, etc., el liquidus y el solidus están a la misma temperatura, y se puede utilizar el término punto de fusión .

También existen algunas mezclas que se funden a una temperatura determinada, conocida como fusión congruente . Un ejemplo es la mezcla eutéctica . En un sistema eutéctico, existe una proporción de mezcla específica donde las temperaturas de solidificación y fusión coinciden en un punto conocido como punto invariante. En el punto invariante, la mezcla experimenta una reacción eutéctica donde ambos sólidos se funden a la misma temperatura. [ 3 ]

Modelado y medición

Existen varios modelos utilizados para predecir las curvas de liquidus y solidus para diversos sistemas. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Se pueden realizar mediciones detalladas del solidus y el liquidus utilizando técnicas como la calorimetría diferencial de barrido y el análisis térmico diferencial . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Efectos

Curva de temperatura de Liquidus en el sistema binario de vidrio SiO 2 -Li 2 O

Para sustancias impuras, como aleaciones , miel , refrescos , helados , etc., el punto de fusión se amplía formando un intervalo de fusión. Si la temperatura se encuentra dentro de este intervalo, se pueden observar "paletas" en equilibrio, es decir, la paleta no se solidifica ni se funde por completo. Por eso, la nieve fresca de alta pureza en las cumbres de las montañas se derrite o permanece sólida, mientras que la nieve sucia en el suelo de las ciudades tiende a convertirse en aguanieve a ciertas temperaturas. Los baños de fusión de soldadura que contienen altos niveles de azufre, ya sea por impurezas fundidas del metal base o por el electrodo de soldadura, suelen tener intervalos de fusión muy amplios, lo que aumenta el riesgo de agrietamiento en caliente .

Comportamiento durante el enfriamiento

Por encima de la temperatura de liquidus, el material es homogéneo y líquido en equilibrio. A medida que el sistema se enfría por debajo de la temperatura de liquidus, se formarán cada vez más cristales en el fundido si se espera un tiempo suficientemente prolongado, dependiendo del material. Alternativamente, se pueden obtener vidrios homogéneos mediante un enfriamiento suficientemente rápido, es decir, mediante la inhibición cinética del proceso de cristalización .

La fase cristalina que cristaliza primero al enfriar una sustancia hasta su temperatura de liquidus se denomina fase cristalina primaria o fase primaria . El rango de composición dentro del cual la fase primaria permanece constante se conoce como campo de fase cristalina primaria .

La temperatura de liquidus es importante en la industria del vidrio porque la cristalización puede causar graves problemas durante los procesos de fusión y conformado del vidrio, y también puede provocar fallos en el producto. [ 12 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Herzberg, Claude T. (1983). "Temperaturas de solidus y liquidus y mineralogías para granate-lherzolita anhidro hasta 15 GPa". Física de la Tierra y los Interiores Planetarios . 32 (2). Elsevier BV: 193– 202. Bibcode : 1983PEPI...32..193H . doi : 10.1016/0031-9201(83)90139-5 . ISSN 0031-9201 . 
  2. 1 2 3 Askeland, Donald R.; Fulay, Pradeep P. (23 de abril de 2008). Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales (2.ª ed.). Toronto: Cengage Learning. pág. 305. ISBN   978-0-495-24446-2.
  3. 1 2 Callister, William D.; Rethwisch, David G. (2008). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales: un enfoque integrado (3.ª ed.). John Wiley & Sons. págs. 356–358 . ISBN   978-0-470-12537-3.
  4. ^ Safarian, Jafar; Kolbeinsen, Leiv; Tangstad, Merete (2 de abril de 2011). "Liquidus de sistemas binarios de silicio" . Transacciones Metalúrgicas y de Materiales B . 42 (4). Springer Science and Business Media LLC: 852– 874. Código bibliográfico : 2011MMTB...42..852S . doi : 10.1007/s11663-011-9507-4 . ISSN 1073-5615 . 
  5. ↑ Galvin, COT; Grimes, RW; Burr, PA (2021). "Un método de dinámica molecular para identificar el liquidus y el solidus en un diagrama de fases binario". Computational Materials Science . 186 110016. Elsevier BV. doi : 10.1016/j.commatsci.2020.110016 . hdl : 10044/1/82641 . ISSN 0927-0256 . 
  6. ^ Deffrennes, Guillaume; Terayama, Kei; Abe, Taichi; Ogamino, Etsuko; Tamura, Ryo (2023). "Un marco para predecir liquidus binario mediante la combinación de aprendizaje automático y evaluaciones CALPHAD" . Materiales y diseño . 232 112111. Elsevier BV. doi : 10.1016/j.matdes.2023.112111 . ISSN 0264-1275 . 
  7. ↑ Miura, Akira; Hokimoto, Tsukasa; Nagao, Masanori; Yanase, Takashi; Shimada, Toshihiro; Tadanaga, Kiyoharu (31 de agosto de 2017). "Predicción de temperaturas de Liquidus ternario mediante modelado estadístico de sistemas binarios y ternarios Ag-Al-Sn-Zn" . ACS Omega . 2 (8). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 5271– 5282. doi : 10.1021/acsomega.7b00784 . ISSN 2470-1343 . PMC 6641866 . PMID 31457798 .   
  8. ↑ Bernhard, Michael; Presoly, Peter; Bernhard, Christian; Hahn, Susanne; Ilie, Sergiu (2021-06-29). "Una evaluación de ecuaciones analíticas de liquidus para aceros aleados con Fe-C-Si-Mn-Al-P utilizando técnicas DSC/DTA" . Metallurgical and Materials Transactions B. 52 ( 5). Springer Science and Business Media LLC: 2821–2830 . Bibcode : 2021MMTB...52.2821B . doi : 10.1007/s11663-021-02251-1 . ISSN 1073-5615 . 
  9. ↑ Radomski, R.; Radomska, M. (1982). "Determinación de las temperaturas de solidificación y liquidación mediante un calorímetro diferencial de barrido Perkin-Elmer 1B". Journal of Thermal Analysis . 24 (1). Springer Science and Business Media LLC: 101– 109. doi : 10.1007/bf01914805 . ISSN 0368-4466 . S2CID 96845070 .  
  10. ↑ Sooby, ES; Nelson, AT; White, JT; McIntyre, PM (2015). "Mediciones de la superficie liquidus y transiciones solidus de los diagramas de fases NaCl–UCl 3 y NaCl–UCl 3 –CeCl 3 " . Journal of Nuclear Materials . 466. Elsevier BV: 280–285 . Bibcode : 2015JNuM..466..280S . doi : 10.1016/j.jnucmat.2015.07.050 . ISSN 0022-3115 . 
  11. ↑ Liu, Gang; Liu, Lin; Zhao, Xinbao; Ge, Bingming; Zhang, Jun; Fu, Hengzhi (2011-03-31). "Efectos de Re y Ru en las características de solidificación de superaleaciones monocristalinas a base de níquel". Metallurgical and Materials Transactions A . 42 (9). Springer Science and Business Media LLC: 2733– 2741. Bibcode : 2011MMTA...42.2733L . doi : 10.1007/s11661-011-0673-4 . ISSN 1073-5623 . S2CID 135753939 .  
  12. ↑ Wallenberger, Frederick T.; Smrček, Antonín (2010-05-20). "La temperatura de liquidus; su papel crítico en la fabricación de vidrio". International Journal of Applied Glass Science . 1 (2). Wiley: 151– 163. doi : 10.1111/j.2041-1294.2010.00015.x . ISSN 2041-1286 . 
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