Soluciones Sólidas y Transformaciones en Sistemas: Diagrama Hierro-Carbono

Tipos de Soluciones Sólidas

Según la forma en que se dispongan los átomos del soluto en el disolvente, se originan los siguientes tipos de soluciones sólidas:

• Soluciones sólidas de sustitución: En ellas, los átomos del soluto se sitúan en los nudos de la red del disolvente, ocupando las posiciones que antes ocupaba este. Pueden ser desordenadas u ordenadas (superredes).
• Soluciones sólidas de inserción: En ellas, los átomos del soluto se sitúan en los intersticios de la red del disolvente. Los átomos del aleante deben ser pequeños.

Solubilidad y Leyes de Hume-Rothery

Para determinar la solubilidad en una solución, utilizaremos las leyes de Hume-Rothery:

• Factor de tamaño: Cuando los átomos del soluto tengan un tamaño relativo similar al del disolvente, podrán alojarse en la red cristalina de este último.
• Factor electroquímico: Cuando uno de los metales es fuertemente electronegativo con relación al otro, la tendencia a formar soluciones se hace muy pequeña y, por el contrario, aumenta la tendencia a formar compuestos definidos.
• Factor de valencia: El metal de menor valencia disuelve una mayor cantidad que el de mayor valencia.
• Concentración electrónica: El límite de la solubilidad, generalmente, se alcanza cuando se cumple que: (e- de valencia / átomos) = concentración e´ = 1,4.
• Factor de estructura cristalina: Los elementos que poseen estructuras electrónicas cristalinas presentan la misma red cristalina.

Conclusiones sobre la Solubilidad

• Si los 5 factores son favorables, la solubilidad es total.
• Si uno de los 5 no es favorable, la solubilidad es extensiva.
• Si más de uno es desfavorable, la solubilidad es muy baja o no hay solubilidad.

Fases Intermedias

Se dividen en:

• Compuestos intermetálicos: Tienen propiedades típicas del enlace iónico, covalente y metálico, con alta dureza y fragilidad.
• Soluciones sólidas intermedias.

Tipos de Compuestos Intermetálicos

• Compuestos intermetálicos de valencia normal: Responden a las leyes de la valencia y en ellos predominan los enlaces iónicos y covalente.
• Compuestos intersticiales: No responden a las leyes de la valencia. Los forman los metales de transición y los elementos H, B, C y N, cuando estos últimos se disponen adecuadamente en todos los intersticios posibles de los primeros. Poseen carácter metálico, alta dureza y punto de fusión elevado.

Las soluciones sólidas intermedias se dan cuando se adiciona un metal de valencia menor a otro metal de mayor valencia, originándose la misma sucesión general, las cuales aparecen cuando las concentraciones electrónicas son, respectivamente, 3/2, 21/13 y 7/4.

Superredes (Soluciones Sólidas Ordenadas)

Es la superposición de dos redes, una formada por los átomos de soluto y la otra por los átomos del disolvente. Son estables a bajas temperaturas y no se forman durante el proceso de solidificación, sino durante el enfriamiento.

Tipos de Superredes

• AB: 50% de átomos de A y 50% de B, estructura cúbica centrada en el cuerpo (c.c.) y cúbica centrada en las caras (c.c.c.).
• AB3: 25% de átomos de A y 75% de B, estructura c.c.c. Por cada átomo de un elemento hay 3 del otro.

Estructuras Defectivas

Se da cuando en una red de una disolución sólida o de un compuesto existen nudos vacantes. Ejemplo: Ni-Al.

Comportamiento Magnético

• Diamagnético: Si se aplica un campo magnético al material, no se imanta.
• Paramagnético: Material que se imanta al aplicarle un campo magnético.
• Ferromagnético: Aquel que tiene propiedades magnéticas.

Insolubilidad

Los átomos de un metal son muy diferentes de los del otro, por lo tanto, no pueden alojarse en su red cristalina.

Transformaciones en los Sistemas

Definiciones

• Sistema: Mezcla de cuerpos simples o compuestos en proporciones variables, entre las cuales se pueden producir transformaciones químicas, físicas o fisicoquímicas.
• Componentes del sistema: Son los cuerpos simples o compuestos que inicialmente lo forman.
• Fase: Es toda porción físicamente homogénea de un sistema.
• Equilibrio de un sistema: Un sistema permanece en equilibrio cuando las fases que lo integran no experimentan ninguna variación en función del tiempo, a menos que se le suministre energía. Los equilibrios de una sola fase se denominan homogéneos y los de varias fases, heterogéneos.

Tipos de Equilibrio en los Sistemas

• Equilibrio estable: Cuando se varía alguno de los factores de equilibrio y el equilibrio del sistema no se altera. Ejemplo: cualquier metal en estado líquido.
• Equilibrio inestable: Cuando el sistema solo está en equilibrio para determinados valores de los factores de equilibrio. Ejemplo: Pb sólido → Pb líquido. Su temperatura de fusión es 227ºC, por lo tanto, a esa temperatura tenemos dos fases (sólido y líquido) y, al variar un grado, pasamos a tener una sola fase. Lo mismo ocurre con un punto triple donde sólido, líquido y gas coexisten a una presión y temperatura determinadas.
• Equilibrio metaestable: Un sistema es metaestable cuando su estado no cambia, aun teniendo más contenido energético que el del estado estable, a no ser que se le dé algún tratamiento. Necesita una energía de activación.

Variables Extensivas e Intensivas

• Extensivas: Si al fusionar dos sistemas idénticos, una propiedad que tengan en común adquiere un valor doble, esa propiedad es extensiva.
• Intensivas: Si, por el contrario, al fusionar los sistemas, dicha propiedad sigue teniendo el mismo valor que en cada uno de los sistemas por separado, esta propiedad será intensiva.

Varianza o Grados de Libertad

Si tenemos un sistema en equilibrio estable, la varianza o grados de libertad es el número de variables intensivas que se pueden modificar arbitrariamente y dentro de ciertos límites.

Regla de las Fases

F + L = C + 2

Como P = constante = 1 atm → F + L = C + 1

Por lo que L = C - F + 1

Donde:

• F = Número de fases
• L = Grados de libertad (si L = 0 → sistema invariante, L = 1 → sistema monovariante, L = 2 → sistema bivariante)
• C = Número de componentes

Diagrama Hierro-Carbono

Tipos de Aceros

• Aceros eutectoides: Por encima de la temperatura eutectoide (723ºC), tendremos austenita homogénea y, por debajo de ella, la austenita se transforma en una estructura laminar de placas alternadas de ferrita α y cementita.
• Aceros hipoeutectoides:
  • Zona austenítica: Estructura de austenita homogénea.
  • Zona bifásica: Por encima de la temperatura eutectoide, la ferrita proeutectoide crece principalmente en los límites de grano austeníticos, aumentando la ferrita proeutectoide conforme enfriamos. A 723ºC, la austenita se transforma en perlita. La ferrita α contenida en la perlita se llama ferrita eutectoide.
• Aceros hipereutectoides: La zona bifásica está por encima de la temperatura eutectoide. La cementita proeutectoide empezará a nuclearse principalmente en los límites de los granos de austenita, aumentando ésta conforme enfriamos. En la temperatura eutectoide (723ºC), la austenita que queda se transformará en perlita a causa de la transformación eutectoide.