Principios de Aleaciones Metálicas: Soluciones Sólidas, Estructura Cristalina y Reglas de Hume-Rothery

Fundamentos de Aleaciones y Solubilidad

Aleación

Combinación de átomos de diferentes elementos.

Solubilidad

Dos elementos son solubles cuando todos sus átomos pueden formar un mismo edificio cristalino.

Insolubilidad

Ocurre cuando los elementos no pueden formar parte del mismo edificio cristalino y, en su lugar, forman estructuras distintas e independientes.

Componentes de la Aleación

Disolvente

Cuando dos elementos son solubles, se le llama disolvente al que tiene mayor proporción en la aleación.

Soluto

• Elemento que se encuentra en menor cantidad en una aleación.
• Cuando dos elementos con distinta red cristalina se alean, el disolvente será el elemento cuya red cristalina permanezca, y el soluto será el elemento que cambie su forma cristalina.

Soluciones Sólidas y Estructura Cristalina

Una solución sólida es una aleación formada por dos elementos que es soluble en un amplio rango de proporción de los elementos.

Tipos de Soluciones Sólidas

1. Soluciones Sólidas de Sustitución

   Ocurren cuando los átomos del soluto se sitúan en los nudos de la red cristalina del disolvente y ocupan las posiciones que antes ocupaba este.

   Distribución Atómica

   • Desordenada: Los átomos del soluto se distribuyen al azar en la red cristalina.
   • Ordenada (Superredes): Se forman si los átomos se distribuyen de forma ordenada. Las superredes son estables a baja temperatura y poseen mayor dureza, resistencia y límite elástico que las soluciones sólidas desordenadas.

   Factores que Influyen: Leyes de Hume-Rothery

   Estas leyes rigen la formación de soluciones sólidas de sustitución:

   • La relación de tamaño de los átomos de soluto y disolvente no debe ser mayor ni menor del 15%.
   • La electronegatividad y la valencia deben ser lo más parecidas posible.
   • La concentración electrónica debe ser menor a 1.4.
   • Las estructuras cristalinas deben ser iguales.

2. Soluciones Sólidas de Inserción (Intersticiales)

   Ocurren cuando los átomos del soluto se sitúan en los huecos de la red del disolvente.

   Son fácilmente saturables y suelen dar lugar a compuestos intersticiales.

   Factores a Considerar

   • Tamaño del hueco (cuanto más grande, mejor).
   • Tamaño del átomo de soluto.
   • Factor de empaquetamiento (cuanto mayor sea, menor será el volumen que ocupan los átomos del soluto).

Compuestos y Fases Intermedias

Compuestos Intersticiales

Aleación de concentración fija formada por inserción que posee carácter metálico, elevada dureza y un elevado punto de fusión.

Fases Intermedias

Incluyen soluciones sólidas intermedias, compuestos intermetálicos y compuestos intersticiales.

Defectos Cristalinos e Insolubilidad

Estructuras Defectivas

Estructuras cristalinas que modifican su red cristalina original en zonas puntuales debido a efectos como vacantes, átomos intersticiales o átomos de sustitución.

Insolubilidad Metálica

Un metal es insoluble cuando no cumple las Leyes de Hume-Rothery, generalmente porque los átomos de los metales son muy diferentes, impidiendo que uno se aloje en las intersticiones de la red cristalina del otro.

Tipos de Mezclas Inmiscibles

1. Mezcla Heterogénea: Las densidades de los componentes son muy diferentes.
2. Mezcla Homogénea: Las densidades de los componentes son parecidas.