Solución sólida

METALES
Ing. Jonathan Almirón Baca
La ciencia de materiales define un metal como un
material en el que existe un solape entre la banda
de valencia y la banda de conducción en su
estructura electrónica (enlace metálico). Esto le
da la capacidad de conducir fácilmente calor y
electricidad, y generalmente la capacidad de
reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En
ausencia de una estructura electrónica conocida,
se usa el término para describir el
comportamiento de aquellos materiales en los
que, en ciertos rangos de presión y temperatura,
la conductividad eléctrica disminuye al elevar la
temperatura,
en
contraste
con
los
semiconductores.
Propiedades Comunes de los Metales
Transformación de los metales
1. Metal Fundido
2. Metal Trabajado
3. Metal Pulverizado
CLASIFICACION DE LOS MATERIALES
ALEACIONES
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
BINARIOS
(Diagramas de fases)
Definición de Fase
Parte de un sistema cuya composición (naturaleza y concentración de constituyentes)
y organización atómica (estructura cristalina o amorfa) son fijas. Es decir, parte
homogénea de un sistema cuyas características físicas y químicas son comunes.
Una fase tiene las siguientes características:

La misma estructura y ordenamiento atómico en todo el material.

Tiene en general la misma composición y propiedades en su interior.

Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases circundantes.
Fase
Una fase de un material, en términos de su microestructura, es una región que
difiere en estructura y/o composición de otra región.
Agua líquida
agua
Hielo
Vapor de agua
Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema de
materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:

Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas
Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de
equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se presenta la

solidificación.

Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.
Diagramas de fases de sustancias puras
Una sustancia pura puede existir en las fases sólida, líquida y vapor,
dependiendo de las condiciones de temperatura y presión.
Diagrama de fases en equilibrio
presión -temperatura para el
agua
Punto triple: presión y temperatura a la que están en equilibrio (coexisten) tres
fases de un material
Diagrama presión-temperatura carbono
Diagrama de fases en
equilibrio
presión – temperatura,
hierro puro
En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.
Monofásica
Aleación
Polifásica
Aleación monofásica
Aleación polifásica
Es importante conocer el comportamiento de un material con la
temperatura. Tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante el frío invierno, no
habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a sufrir las
consecuencias del frío. A -40 ºC, los aceros pueden contraerse entre 1 - 4%, en función
del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un tubito por donde sale una
bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha encogido 2 ó 3mm…
- El PTFE, (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta los 270ºC, sin perder
sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por qué no más
allá? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a carbonizarse, y a emitir unos
vapores que son bastante tóxicos.
- En los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su capacidad
de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Cuando se recuperaron partes del casco
del malogrado Titanic, se realizaron los ensayos para determinar la temperatura de
transición del acero utilizado, determinando que era -15 ºC. Así que el empleo de ese
material, la temperatura del agua por donde andaban, además de otros detalles
estructurales como las uniones entre planchas, provocó la ruptura del casco, y el
hundimiento del barco. La culpa no fue solamente el choque contra el iceberg.
Solubilidad y soluciones sólidas
Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo cuando se
agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar soluciones sólidas o líquidas.
Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de composición
variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:

Solubilidad total (completa)

Solubilidad parcial o limitada

Insolubilidad total
a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total
a) y b) Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí, las aleaciones sólidas de Cu
y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que contienen más de 30%
de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad limitada del Zn en el Cu
Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de átomos de
soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solución sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada
TIPOS DE SOLUCION SOLIDA
Es la fase cristalina única y homogénea que contiene dos o mas especies químicas,
se dividen en dos tipos:
a) INTERSTICIALES
Cuando el átomo de soluto es lo bastante pequeño para ocupar espacios abiertos
entre átomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una SOLUCION SOLIDA
INTERSTICIAL.
b) SUSTITUCIONAL.
Es cuando los átomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos reticulares del
solvente, siendo la distribución al azar.
Solución sólida sustitucional: los
átomos de B ocupan posiciones de la
red A
Solución sólida intersticial: los
átomos B ocupan posiciones
intersticiales de la red A
Soluciones sólidas sustitucionales:
En las soluciones sólidas sustitucionales, los átomos de soluto sustituyen en términos de
posición, a los átomos de la matriz.
Para que un sistema de aleación, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad sólida ilimitada,
deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de Hume- Rothery:
 El radio atómico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en más del
15%,para minimizar la deformación de la red.
 Los elementos no deben formar compuestos entre sí. Es decir, no debe haber
diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento.
 Los elementos deben tener la misma valencia.
 La estructura cristalina de cada elemento de la disolución sólida debe ser la misma
Ejemplo:

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