- Disolvente (A): al elemento que aparece en mayor proporción
- Soluto (B): al que aparece en menor proporción.
- Los elementos deben ser TOTALMENTE miscibles en estado líquido.
- El producto final debe tener carácter metálico en cuanto a su estructura interna.
Las aleaciones más sencillas se denominan soluciones sólidas y pueden ser de dos tipos diferentes:
De sustitución: átomos de soluto se “alojan” en los nudos de la red del disolvente. Se tiene que cumplir que:
- cristalicen en el mismo sistema
- A y B deben tener la misma valencia
- Han de tener electronegatividad similar, ya que si no es así tienden a formar no metales
- Sus diámetros atómicos no pueden diferir en más de un 15%.
De inserción: cuando átomos de B se insertan en huecos de A. En estos casos:
B suelen ser átomos pequeños (como C,N,O)
A suelen ser metales de transición (como Fe, Cr, Co, Ni).
Proceso de solidificación.
Este es un proceso fundamental en la producción industrial de materiales metálicos, ya que la mayor parte de ellos se producen a partir del material en estado líquido para formar piezas por moldeo, extrusión o mecanizado a partir de lingotes. En este proceso es importante conocer:A la temperatura de equilibrio, en los metales puros, se producen cambios de estado a temperatura constante.
En el proceso de solidificación de un metal o de una aleación podemos encontrar dos fases:
- Nucleación.
- Crecimiento.
Además de tener en cuenta los fenómenos de subenfriamiento típicos de estos procesos es de vital importancia conocer el proceso de la velocidad de solidificación, ya que es determinante en las características finales del material metálico formado.
Diagrama de equilibrio.
Es la representación gráfica de las fases de un material para diferentes temperaturas, presiones y composiciones. (Analicemos los diagramas del hierro puro y del agua para conocer su interpretación).
Diagrama de equilibrio en aleaciones.
Si se trata de una aleación de dos metales (A y B), su diagrama de equilibrio se representa con la temperatura en ordenadas y la composición (en %) en abscisas (en los diagramas de fases las disoluciones sólidas se suelen representar por las primeras letras del alfabeto griego). En estos diagramas se reflejan los cambios de la aleación cuando hay variaciones de su composición, de su temperatura o presión, siempre y cuando el enfriamiento o el calentamiento se produzca a la velocidad adecuada para que se produzca el equilibrio.
Los diagramas de equilibrio representan los estados estables, es decir, los estados que en esas condiciones poseen el mínimo de energía libre..
En estos se presentan dos líneas fundamentales:
Línea de líquidus: es la línea superior del diagrama; representa el inicio de la solidificación y marca la transición entre la fase líquida y la fase liquida + sólida.
Línea de sólidus: es la línea inferior del diagrama; representa la transición entre la fase líquida + sólido y la fase sólida.
En este diagrama se representan las curvas de enfriamiento correspondientes a cinco aleaciones Cu-Ni distintas: Cu puro, aleación de 20% de Ni, 50% de Ni, 80% de Ni y Ni puro.
Los puntos marcados con L corresponden a los valores de temperatura a los que la aleación comienza a solidificar, y los puntos marcados con S las temperaturas a partir de las que la aleación es totalmente sólida.
Uniendo todos los puntos marcados con L en el diagrama de enfriamiento anterior se obtiene la línea de liquidus, es decir, la línea de temperaturas por encima de las cuales la aleación se encuentra en una zona monofásica, en la que sólo hay líquido, y uniendo los puntos S se obtiene la línea de solidus, línea por debajo de la cual la aleación vuelve a estar en una zona monofásica, pero esta vez sólo encontramos sólido.
En la zona delimitada por las líneas de solidus y liquidus la aleación se encuentra en una zona bifásica, donde coexisten sólido y líquido (L+&).
Regla de los segmentos inversos (o de la palanca)
En el siguiente diagrama, el punto D se encuentra en un estado bifásico (coexisten una fase sólida α y otra líquida L). La composición química del sólido y líquido puede determinarse por la regla de la horizontal, trazando una horizontal que pase por el punto D y que corte las líneas de fase, determinándose Cα y CL.
Si llamamos L al tanto por uno que tenemos de masa líquida en el punto D y Wα al tanto por uno que tenemos de la masa sólida en el mismo punto, podemos determinar dichas masas mediante unas ecuaciones, aplicando lo que se conoce como regla de la palanca.
C0= Concentración del elemento A o B correspondiente al punto D.
CL= Concentración del líquido correspondiente al elemento A o B.
Cα= Concentración del sólido correspondiente al elemento A o B.
Si utilizamos concentraciones del elemento A, las ecuaciones correspondientes a WL y Wα son
siendo:
W= el % de la fase sólida
WL = el % de la fase líquida
(Aquí tienes unos ejercicios sobre la regla de la palanca)
Tipos de diagramas de equilibrio.
Tipo 1: Dos metales completamente solubles en los estados líquido y sólido: como los dos metales son completamente solubles en el estado sólido, el único tipo de fase sólida formada será una solución sólida sustitucional. (Ejemplo Cu-Ni - [1])
Analicemos en la imagen [2] lo que sucede durante un enfriamiento lento desde 1300º hasta 1100º, tomando como referencia la vertical discontinua de puntos a,b,c,d.
Punto a: todo en estado líquido. Composición: 35% Ni y 65% Cu
Punto b: Corte con la "línea Liquidus" ⇒ Aparición "α" (1700º aprox)
Comp: L ⇒ 35% Ni y 65% Cu
α ⇒ 49% Ni y 51% Cu
Punto c: Región bifásica ⇒ L + α (1500º aprox)
Composición : L ⇒ 30% Ni y 70% Cu
α ⇒ 43% Ni y 57% Cu
Punto d: Corte con la "línea Sólidus" ⇒ desaparición "L" (1220º aprox)
Composición: L ⇒ 23% Ni y 77% Cu
α ⇒ 35% Ni y 65% Cu
Punto e: todo sólido "α" (composición α 35% Ni y 65% Cu)
.
Tipo 2: Diagrama de fase binario con eutéctico (imagen [3])
Solubilidad total en estado líquido e insolubles en estado sólido. Cada metal disminuye el punto de fusión del otro. La línea de liquidus, muestra un punto mínimo, conocido como punto eutéctico.
El diagrama está formado por cuatro áreas:
El área superior de la línea liquidus es una solución líquida homogénea de una sola fase, ya que los dos metales son solubles en estado líquido. Las áreas restantes son de dos fases.
En estas aleaciones ocurre la reacción eutéctica: reacción que se produce a una temperatura fija llamada temperatura eutéctica y que termina en un sólido eutéctico
Un sólido eutéctico tiene una forma diferente a las otras fases de la aleación, por lo que se considera una fase del material: se solidifican alternativamente A y B puros, resultando una mezcla muy fina (mezcla eutéctica). LA reacción que se produce durante el enfriamiento es Líquido → sólido eutéctico (sólido 1+ sólido 2)
Tipo 3: dos metales completamente solubles en el estado líquido, pero sólo parcialmente solubles en el estado sólido. (Ejemplo: aleación Pb -Sn) [4]
Cuando la solubilidad es parcial, el diagrama de fases es diferente:
La línea de solubilidad describe cuánto de un componente puede disolverse en otro.
Al cruzar la línea de solubilidad durante el enfriamiento se da la precipitación de una de las fases.
En estas aleaciones ocurre también la reacción eutéctica.
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