Fundamentos de Aleaciones Metálicas y Estructura Cristalina

Soluciones Sólidas

Una solución sólida se forma cuando átomos de soluto se disuelven en una red cristalina de disolvente, manteniendo la estructura cristalina original del disolvente.

Solución Sólida por Sustitución

Ocurre cuando los átomos de soluto reemplazan a los átomos del disolvente en la red cristalina. Para que se forme una solución sólida por sustitución con solubilidad total, se deben cumplir ciertas condiciones (Reglas de Hume-Rothery):

• Estructura cristalina similar: El soluto y el disolvente deben tener la misma estructura cristalina.
• Radio atómico similar: La diferencia en el radio atómico debe ser inferior al 15%. Cuanto más similares sean los radios, menor será la distorsión de la red y, por tanto, mayor la solubilidad.
• Electronegatividad similar: Los metales deben tener poca afinidad electroquímica. Una gran afinidad electroquímica favorece la formación de compuestos intermetálicos en lugar de soluciones sólidas, perdiendo el carácter metálico y reforzando el carácter iónico o covalente.
• Valencia similar: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica que el disolvente, se favorece la solubilidad.

Solución Sólida por Inserción

Ocurre cuando los átomos de soluto son significativamente más pequeños que los átomos del disolvente y se alojan en los intersticios (espacios vacíos) de la red cristalina del disolvente.

Cristalización y Solidificación

Cristalización

Es el proceso por el cual los iones, átomos o moléculas se ordenan para formar una red cristalina, creando enlaces hasta formar cristales.

Subfusión o Subenfriamiento

Fenómeno por el cual un líquido se enfría por debajo de su punto de fusión sin solidificar. Es un estado metaestable que, bajo ciertas condiciones, puede mantenerse antes de que ocurra la solidificación.

Etapas de la Solidificación o Cristalización

El proceso de solidificación de un material metálico generalmente consta de las siguientes etapas:

• Nucleación: Formación de los primeros núcleos sólidos (cristales) dentro del líquido. El factor más importante es la velocidad de nucleación (VN), que es la cantidad de núcleos que se forman por unidad de tiempo y volumen.
• Crecimiento Cristalino: Los núcleos formados crecen en las tres direcciones del espacio. Cada cristal crece hasta que se encuentra con otro cristal próximo. La velocidad lineal de cristalización (VC) es el aumento de longitud del cristal por unidad de tiempo.
• Formación del Grano: Los cristales en crecimiento se encuentran y sus límites forman los límites de grano. Cada cristal individual se convierte en un grano. Si la velocidad de nucleación es alta y la velocidad de crecimiento es relativamente baja, se forman muchos granos pequeños. Si la velocidad de nucleación es baja y la de crecimiento alta, se forman pocos granos grandes. Las zonas de límite de grano suelen ser más densas y duras que el interior del grano.

Constituyentes del Acero

El acero es una aleación de hierro y carbono, principalmente. Dependiendo de la temperatura y la concentración de carbono, el acero puede presentar diferentes fases o constituyentes:

• Ferrita (Hierro α): Es una solución sólida de carbono en hierro α (estructura BCC). Contiene una pequeña proporción de carbono disuelto. Es magnética hasta los 768ºC y estable hasta 912ºC. Es dúctil y tiene capacidad para disolver elementos como hidrógeno, boro y nitrógeno.
• Austenita (Hierro γ): Es una solución sólida de carbono en hierro γ (estructura FCC). Existe entre 912ºC y 1400ºC (para aceros al carbono). Es más densa que la ferrita y no es magnética.
• Cementita (Carburo de Hierro, Fe₃C): Es un compuesto intermetálico de hierro y carbono con una composición fija de 6,67% de carbono en peso. Cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es estable hasta aproximadamente 1227ºC (punto eutéctico). Es muy dura y frágil. Es magnética por debajo de 210ºC (Punto de Curie de la cementita).
• Ledeburita: Es una mezcla eutéctica de austenita y cementita. Se forma a 1148ºC con una composición de 4,3% de carbono. Es el constituyente que aparece en la solidificación de fundiciones blancas.
• Perlita: Es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Se forma por la transformación de la austenita a 727ºC con una composición de 0,77% de carbono. Tiene una estructura laminar característica.
• Martensita: Se forma por el enfriamiento rápido (temple) de la austenita. Es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro α (estructura tetragonal centrada en el cuerpo, BCT). Es muy dura, resistente y frágil. Su dureza aumenta con la concentración de carbono, siendo máxima alrededor del 0,8% de C.

Conceptos de Estructura Cristalina

• Celdilla Unidad: Es la unidad básica de repetición tridimensional de una red cristalina. Se caracteriza por las longitudes de sus aristas y los ángulos entre ellas. La repetición de la celdilla unidad en el espacio genera toda la red cristalina.
• Red Cristalina: Es un conjunto tridimensional de puntos (nodos) que representa la disposición periódica de los átomos, iones o moléculas en un cristal. Cada punto de la red tiene un entorno idéntico al de cualquier otro punto.