Aleaciones y diagramas de fase

Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.

Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu ([[co

Mayoritariamente las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos involucrados. Excepcionalmente, algunas aleaciones generan compuestos químicos.

Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales.

Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase.

Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

Proceso de obtención

Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos.

Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión.

El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis.

La plata, el oro de 18 quilates, el oro blanco y el platino son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de torpedo, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus

impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.

Tipos de aleaciones

En ingeniería las aleaciones pueden dividirse en dos tipos: ferrosas y no ferrosas.

Las aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación, los aceros son aleaciones ferrosas, son importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas.

Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe contener al menos 12% de cromo. Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad.

Las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro.

Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas principalmente por su ligereza, endurecibilidad por deformación, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo.

Otras aleaciones no ferrosas son las de magnesio, titanio y níquel. Las de magnesio son excepcionalmente ligeras y tienen aplicaciones aeroespaciales.

Las aleaciones de titanio son caras, pero tienen una combinación de resistencia y ligereza que no es asequible para cualquier otro sistema de aleación y por esta razón se usan ampliamente en las piezas estructurales de los aviones.

Las aleaciones de níquel presentan una gran resistencia a la corrosión y oxidación y son por tanto son usadas comúnmente en los procesos industriales químicos y de petróleos. Con la mezcla de níquel, cobalto y cromo se forma la base para las superaleaciones de níquel, necesarias para las turbinas de gas de aviones de propulsión a chorro y algunas baterías eléctricas.

La plata fina, el oro de 58 quilates, el oro blanco y el platino iridiado son aleaciones de metales preciosos.

El acero, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de torpedo, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos.

Las aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros); conocidas como los cermets; combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes

Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.

Clasificaciones

Mezclas sólidas

En estas aleaciones se pueden observar al microscopio las partículas correspondientes a cada uno de los metales, lo que demuestra que cada celda cristalina está formada por los iones de un solo metal. Esto sucede con las aleaciones de plomo y estaño, antimonio y plomo,etc.

Disoluciones sólidas

Son disoluciones líquidas de dos o más metales que al solidificarse forman una mezcla homogénea o disolución sólidad y los iones de uno de los metales se encuentran distribuidos en la red cristalina del otro. Por ejemplo, el sistema plata-oro.

Compuestos intermetálicos

Son aquellos en los que los átomos de los diferentes metales están en una proporción determinada formando verdaderos compuestos químicos. Por ejemplo, la aleación de magnesio-plomo, el latón, la cementita, etc.

Ejemplo de aleaciones

Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características.

Un caso importante en el que son necesarias unas características particulares es el diseño de cohetes y naves espaciales y supersónicas. Los materiales usados en estos vehículos y en sus motores deben pesar poco y ser muy resistentes y capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Para soportar esas temperaturas y reducir el peso total, se han desarrollado aleaciones ligeras y de gran resistencia hechas de aluminio, berilio y titanio. Para resistir el calor generado al entrar en la atmósfera de la Tierra, en los vehículos espaciales se están utilizando aleaciones que contienen metales como el tántalo, niobio, volframio, cobalto y níquel.

En los reactores nucleares se utiliza una amplia gama de aleaciones especiales hechas con metales como berilio, boro, niobio, hafnio y circonio, que absorben los neutrones de una forma determinada.

Las aleaciones de niobio-estaño se utilizan como superconductores a temperaturas extremamente bajas.

En las plantas de desalinización se utilizan aleaciones especiales de cobre, níquel y titanio, diseñadas para resistir los efectos corrosivos del agua salina hirviendo.

Los elementos de aleación tales como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación.

Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles para usos como engranajes y ejes.

Aleaciones más comunes

Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:

Acero Alnico Alpaca Bronce Constantán Cuproníquel Magal Magnam Magzinc Nicrom Nitinol Oro blanco (electro) Peltre Plata de ley Zamak Latón o Cuzin Pilin

Diagramas de fase

Fase (F) Es una porción homogénea de un sistema caracterizado por una estructura y una organización atómica constante y por tanto con características físicas y químicas uniformes. Esta región aparece limitada por una superficie a través de la cual las propiedades cambian bruscamente.

Un elemento puro en un estado de agregación determinado (sólido, líquido o gas) constituye una fase. Cuando el agua y el hielo están juntos en un recipiente, existen dos fases separadas; son físicamente distintas aunque sean químicamente idénticas. Si una sustancia puede existir en dos o más formas (por ejemplo el elemento químico hierro, que puede cristalizar tanto en la estructura fcc como en la bcc) cada una de estas formas es una fase con diferentes propiedades físicas. Sin embargo dos componentes químicamente diferentes sí se pueden mezclar completamente (por ejemplo una mezcla de etanol y agua) formando así un líquido monofásico; por esta misma razón una mezcla de agua y aceite es un sistema bifásico formado por dos líquidos no miscibles.

Componentes (C) Son el número mínimo de especies químicas necesarias para determinar la composición de las fases. Por ejemplo en una aleación de cobre y cinc (latón) los componentes son el cobre y el cinc. Sin embargo en el agua, existe un único componente (H2O) y no dos (H y O) ya que, por tratarse de un compuesto químico , las proporciones entre H y O se mantienen constantes

Grados de libertad (L) En un sistema en equilibrio, es el número de variables intensivas (presión, temperatura, concentraciones) que se pueden modificar en un amplio intervalo sin producir la

aparición de nuevas fases o la desaparición de las existentes; corresponde por ello al número de variables, controladas experimentalmente, que se deben especificar para definir completamente el estado del sistema.

Equilibrio de fases Este concepto termodinámico se describe en términos de la función energía libre de Hemholtz del sistema, cuyo valor a volumen constante y para cada temperatura, depende de la energía interna (U) y de la entropía (S) (F=U-TS).

Un sistema está en equilibrio si la energía libre es mínima en condiciones específicas de temperatura, presión y composición. En sentido macroscópico, esto significa que sus características no cambian con el tiempo sino que se mantienen indefinidamente; es decir, el sistema es estable. El término equilibrio de fases se refiere a la situación de equilibrio termodinámico correspondiente a un sistema que tenga más de una fase. La energía libre y los diagramas de fases aportan información acerca de las características del equilibrio de un determinado sistema, pero no informan acerca del tiempo necesario para alcanzar dicho equilibrio. En muchos sistemas sólidos, ocurre que el estado de equilibrio nunca se alcanza completamente, ya que la velocidad para llegar al equilibrio es muy lenta; en este caso el estado del sistema se define como de no equilibrio y se denomina metaestable.

Regla de las fases de Gibbs Esta regla fue formulada en el siglo XIX por el físico J. Willard Gibbs. Se aplica estrictamente en condiciones de equilibrio termodinámico, pero en la práctica también es muy útil en situaciones de no equilibrio próximas a las de equilibrio. La expresión para esta regla es:

Equilibrio y diagramas de fases La determinación de los diagramas de fases o diagramas de equilibrio se realiza por vía teórica y/o experimental.

Ahora bien, la falta de datos termodinámicos es la causa de que la gran mayoría de los diagramas de fases de los que disponemos, se hayan caracterizado por vía experimental. El conocimiento de estos diagramas permite a científicos y tecnólogos encontrar formulaciones y/o elegir a priori las condiciones iniciales y finales de los procesos.

Así es posible establecer:

Los elementos de partida convenientes para una determinada síntesis o proceso, así como las condiciones necesarias para su realización.

La proporción y naturaleza de las fases que componen las eventuales composiciones intermedias y finales del producto, en función de las variables: temperatura, presión, etc.

La temperatura de la primera formación de la fase líquida y su evolución con la temperatura.

La solubilidad de una fase en otra, en diferentes tipos de reacciones. Las reacciones que puede sufrir un material en función de la temperatura, presión y

entorno.

Las previsiones sobre la estructura microscópica, y en consecuencia, algunas de sus propiedades.