Aleaciones metálicas: fases, microestructura y soluciones sólidas en metales

Aleación metálica y componentes

Aleación metálica: combinación de dos o más componentes metálicos.

Componentes: el menor número de variables independientes (v.l.s.). Normalmente un componente es un elemento, compuesto o solución de un sistema.

Fase y microestructura

Fase: cualquier porción de un sistema que es física y químicamente homogénea y posee una interfaz definida con las fases adyacentes.

Microestructura: conjunto de características morfológicas observables en un material relativas a la estructura interna, empleando pocos aumentos.

Microconstituyentes y límites

Microconstituyentes: partes de un sistema que aparentan ser química y físicamente homogéneas, pero que pueden estar constituidas por más de una fase.

Límite de solubilidad: concentración máxima de soluto que disuelve un disolvente bajo condiciones dadas.

Líneas en diagramas de fases

Línea solidus: temperaturas más bajas a las que puede existir fase líquida.

Línea liquidus: temperaturas más altas a las que pueden existir cristales de fases sólidas.

Línea solvus: límite de solubilidad que separa un campo monofásico formado por una fase sólida de un campo bifásico formado por esta y otra fase sólida.

Transición invariante y equilibrio

Transición invariante: transición de fase que ocurre a temperatura, presión y composición constantes.

Estado de equilibrio termodinámico: cuando las variables termodinámicas no varían con el tiempo.

Soluciones sólidas

Soluciones sólidas: combinación de átomos de distintos elementos que pueden variar ligeramente de un punto a otro del material. En una solución sólida existe un solo tipo de estructura cristalina. Se forma cuando los átomos de un elemento se dispersan en el interior de la estructura cristalina de los átomos de otro elemento y originan un material de composición macroscópicamente uniforme. Pueden ser:

• Sustitutivas
• Intersticiales

Soluciones sólidas sustitutivas

Sustitutivas: su formación depende del tamaño de los átomos; la discrepancia de radios debe ser menor al 15 %. La estructura cristalina: estructuras similares favorecen la solubilidad. Electronegatividad: si la diferencia de electronegatividad es muy grande, disminuye la formación de soluciones sólidas de carácter metálico. Valencia: si la valencia es idéntica, se alcanza la máxima solubilidad; si no coinciden, la solubilidad será mayor cuando la valencia del soluto supere la del disolvente.

Soluciones sólidas intersticiales

Intersticiales: cuando los átomos que se introducen en la estructura cristalina del disolvente tienen un tamaño tan pequeño como para alojarse en sus intersticios sin producir grandes distorsiones en la estructura ni en la nube electrónica. Los átomos de H, B, C, N y O forman soluciones sólidas intersticiales en las estructuras metálicas. Si a un metal se añade una pequeña porción de átomos intersticiales, se fortalece el enlace: el metal se vuelve más duro y resistente. La diferencia de electronegatividad entre los átomos debe ser pequeña.

Transformaciones y tipos de reacciones

A continuación se muestran las transformaciones típicas entre fases, expresadas de forma esquemática:

• Eutéctica: L → A + B
• Eutectoide: A → B + γ
• Peritéctica: A + L → B
• Peritectoide: A + B → γ
• Monotéctica: L1 → A + L2
• Monotectoide: A → B + γ

Nota: las letras L, A, B, γ representan fases líquidas y sólidas genéricas según la convención en diagramas de fases.