Soluciones Sólidas: Tipos, Características y Mecanismos de Endurecimiento en Metales

Soluciones Sólidas de Sustitución

Las soluciones sólidas de sustitución se caracterizan porque los átomos de soluto sustituyen, en algunos nudos, a los átomos del metal disolvente en la red cristalina. Para que dos metales, A y B, sean totalmente solubles en estado sólido, se deben cumplir varias condiciones:

• Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema. Si, por ejemplo, A cristalizara en el sistema FCC y B en el HCP, existiría la posibilidad de una disolución de átomos de B en la red cristalina de A (Solución Sólida ), pero solo hasta una determinada proporción de átomos de B. De forma análoga, también existiría la posibilidad de una disolución de átomos de A en la red cristalina de B (Solución Sólida ), pero solo hasta que la proporción de A alcance un cierto valor. Estos límites de solubilidad de B en A y de A en B reciben el nombre de límites de saturación.
• Los metales A y B deben tener la misma valencia, para que el número de electrones cedidos por un átomo de cada uno de ellos a la nube electrónica sea el mismo.
• Los dos metales han de poseer una electronegatividad semejante, pues si los dos elementos constituyentes de la disolución sólida poseyesen electronegatividades muy diferentes, tenderían a formar compuestos de carácter no metálico.
• Los diámetros atómicos de los metales no deben diferir en más de un 15%.

Soluciones Sólidas de Inserción

En las soluciones sólidas de inserción, los átomos de soluto se insertan en los huecos o intersticios existentes en la red cristalina del disolvente. Se suelen formar soluciones sólidas de este tipo cuando la diferencia de tamaños entre disolvente y soluto es muy grande. El elemento que suele actuar de soluto en este tipo de soluciones sólidas es un no metal de pequeño tamaño (carbono, nitrógeno, oxígeno o hidrógeno). Los metales que actúan de disolventes suelen ser metales de transición, como, por ejemplo, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, etc.

Mecanismos de Endurecimiento de los Metales

La resistencia mecánica o la dureza de un metal dependen de cómo se desplazan sus dislocaciones bajo los efectos de una fuerza exterior. A continuación, se describen los principales mecanismos:

Endurecimiento por Deformación en Frío

La deformación plástica origina un endurecimiento en los metales a causa del incremento de la densidad de dislocaciones, disminuyendo su facilidad de movimiento. Los metales sometidos a este proceso se encuentran en un estado denominado de acritud (alta resistencia mecánica, baja ductilidad y extremada fragilidad). Para devolverle su plasticidad, posteriormente se suelen someter a un tratamiento térmico, denominado recocido.

Endurecimiento por Afino de Grano

Las juntas de grano impiden el movimiento de las dislocaciones. En una aleación metálica, cuanto más pequeño sea el grano, mayor será la longitud de juntas de grano y mayor será, pues, la resistencia del material. Cuanto menor sea el tamaño medio del grano, mayor será el límite elástico del material.

Endurecimiento por Solución Sólida

Las soluciones sólidas, tanto de sustitución como de inserción, se caracterizan por una dureza mayor que la del metal original. Este endurecimiento se debe a la deformación mecánica producida por la diferencia de tamaño de los átomos de disolvente y de soluto en las soluciones de sustitución, o como consecuencia del pequeño tamaño de los huecos intersticiales en las soluciones sólidas de inserción. Además, los pequeños átomos de soluto son atraídos por las dislocaciones, que se estabilizan.