Aleaciones FÍS.

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Física

Al resultado de la íntima interacción íntima hasta la dimensión atómica de un metal y otro u otros elementos, metales o no, se le llama a. Se entiende por sistema aleado todas las a. que pueden obtenerse con una determinada serie de componentes, siendo éstos, precisamente, los elementos que lo constituyen. Un sistema aleado puede ser sólido o líquido, dependiendo de su composición y de la temperatura a que se considere.

Los metales puros interesaron poco al hombre hasta hace sólo unos años. Son blandos, plásticos, nada aptos para preparar con ellos herramientas o armas, poco útiles. Sólo los metales nobles se trabajaron y utilizaron puros.

Obtención. La interacción mutua a que se ha aludido, se logra en la práctica disolviendo los elementos alcantes, una vez pesados, en la cantidad necesaria de metal base fundida en un crisol. Cuando la cantidad a añadir es pequeña, se suele hacer por medio de a. madres, más concentradas que la deseada, que incluso se preparan con la proporción de componentes adecuada para obtener algún compuesto intermetálico frágil, y así poderlas trocear con facilidad. Se llama compuesto intermetálico a todo sistema aleado que se presentir como una fase homogénea en la que la proporción de los componentes es casi o rigurosamente estequiométrica (es decir, la deseada). Entre los elementos empleados como aleantes, los hay volátiles o muy reactivos, y ello origina dificultades de tipo práctico al fabricar la a. El Zn, p. ej., es uno de éstos y, cuando hay que agregarlo al Cu fundido para preparar latones, se hace en grandes pedazos que inmediatamente se mantienen sumergidos precisamente para salvar tanto su volatilidad como su reactividad frente al oxígeno de la atmósfera. Aun así, se producen pérdidas de hasta el 2% de este metal.

Constitución. Cuando una a. líquida solidifica, los átomos de los distintos elementos presentes se distribuyen entre las diferentes fases sólidas, cuyo número tiene que satisfacer lo exigido por la regla de las fases (v. ESTADOS DE LA MATERIA v), que relaciona el número de éstas con el de componentes del sistema, y con las variables del mismo (presión y temperatura). La naturaleza de esas fases depende de cada sistema aleado de la composición y de la temperatura, fundamentalmente, ya que se suele trabajar a la presión normal de 1 atm. aproximadamente. El sistema se representa, para condiciones de equilibrio, en forma de diagramas llamados, precisamente por esto, diagramas de fases o diagramas de equilibrio. Estos diagramas, que se trazan a partir de datos experimentales, informan de qué fase o fases habrá presentes a cada temperatura y composición del sistema, y de cómo se distribuirán entre las fases presentes, los elementos componentes de la a. El diagrama dice, pues, cuál es la naturaleza de las fases en el equilibrio, pero no dice cuál es el tamaño de sus partículas (aunque sí su proporción relativa a las otras fases) ni qué forma tienen, ni cómo se distribuyen en la estructura total del metal, características que, sin embargo, determinan la mayor parte de las propiedades de las a.

En definitiva, alear un metal es introducir en él átomos de otro u otros elementos. Estos átomos, incluso en la a. sólida, pueden moverse difundir, segregarse o dispersarse y hasta cambiar, por el mero hecho de estar presentes, la estructura cristalina del metal base, por su tendencia a alcanzar el equilibrio termodinámico; esta movilidad atómica en estado sólido, aunque evidente, es, naturalmente, limitada y depende de las características intrínsecas del sistema y de la temperatura.

La estructura a que pueda llegarse dependerá de que los átomos de los elementos aleado y aleante sean indiferentes uno a otro (en cuyo caso la energía interna del sistema no cambia); que se atraigan recíprocamente (en cuyo caso la energía interna disminuye al alear); o que se repelan (en cuyo caso la energía interna aumenta). El caso de máxima indiferencia sería el de átomos del mismo elemento; en el estado sólido este sistema se presentaría como una fase homogénea hasta la escala atómica. Los elementos distintos que, por sus analogías, se comportan como indiferentes, forman lo que se llaman soluciones sólidas, en las que los átomos así mezclados ocupan al azar los nudos de la red cristalina correspondiente. Éste es el caso, p. ej., de los sistemas CuNi y AgAu, para cualquier composición.

Cuando los átomos de los elementos que se alean (aleado y aleante) se atraen mutuamente, es decir, tienen una cierta afinidad recíproca, se llega a a. sólidas de dos tipos: a) si el sistema aleado está constituido sólo por verdaderos metales, su estructura es la de una solución sólida ordenada o superred, en la que, a diferencia de las soluciones sólidas simples, los átomos no se disponen al azar, sino de una forma regular y ordenada en la red correspondiente; este caso se presenta, p. ej., en lossistemas CuAu y CuZn para la relación atómica 1:1, y en el CuAu también para la relación 3: 1. Las estructuras cristalinas correspondientes pueden verse en la fig. 1. b) Si los elementos que constituyen el sistema aleado difieren suficientemente en su carácter electroquímico, el enlace interatómico es, al menos, parcialmente iónico, y forman, para determinadas proporciones atómicas, los llamados compuestos intermetálicos que, cuando la electronegatividad está fuertemente diferenciada entre los elementos constituyentes de la a., se forman verdaderos compuestos químicos que ya no presentan características metálicas. En un sistema aleado, formado p. ej. por dos elementos, cuando los átomos de un mismo elemento se atraen con más fuerza que lo hacen estos mismos átomos con los del otro elemento, se tienden a formar cristales diferentes (granos) unidos a través de sus superficies de contacto (límites de grano) (v. METALOGRAFÍA) cuyos cristales tienen mucha mayor proporción de alguno de los elementos componentes.

Soluciones sólidas. Las llamadas soluciones sólidas, pueden alcanzarse por: a) sustitución en la red cristalina del elemento base de átomos de este elemento por átomos del elemento aleante; b) introducción de átomos del elemento aleante en los intersticios de la red del metal base (fig. 2).

En las soluciones sólidas por sustitución, los factores que determinan la solubilidad de un metal en otro, según HumeRothery, son:

1) El volumen atómico. Cuando la diferencia de volúmenes atómicos entre el soluto y él disolvente alcanza un 14%, la solubilidad es pequeña.

2) El carácter electroquímico. La solubilidad mutua es menor cuando es grande la diferencia en la electroafinidad de los componentes, en cuyo caso tienden a formar compuestos más que soluciones sólidas.

3) La valencia relativa. Es más probable que un metal de valencia pequeña disuelva a uno de mayor valencia que viceversa.

El cobre, p. ej., es un disolvente excelente de muchos metales porque está bastante centrado en cuanto a su volumen atómico y a su electroafinidad. Forma soluciones sólidas primarias con muchos metales con, por lo menos, el 5 % del otro metal.

Fases intermedias. Estas fases se suelen llamar también compuestos intermetálicos, aunque la palabra "compuesto" no se utilice en este caso con rigor químico, ya que muchos de estos llamados compuestos son, en realidad, soluciones sólidas secundarias de composición variable.

Al margen de los verdaderos compuestos químicos posibles, las fases intermedias son similares a las soluciones sólidas primarias en las que los átomos de los componentes se mantienen unidos por electrones libres. Cuando estos átomos se distribuyen al azar en el cristal, y la fase existe en un margen de composiciones suficientemente amplio, la diferencia entre estas fases intermedias verdaderas soluciones sólidas secundarias y las soluciones sólidas primarias, reside sólo en que ninguna de las líneas que limitan su campo de existencia en el diagrama de equilibrio corresponde a un componente puro. En algunas fases intermedias los átomos pueden ordenarse como ya se ha dicho para ciertas composiciones y temperaturas, dando soluciones sólidas ordenadas o compuestos intermetálicos.

Fases intersticiales. Son fases que se forman cuando el elemento aleante tiene un volumen atómico suficientemente pequeño para ocupar intersticios (fig. 2) en la estructura cristalina del metal base. Es el caso de los hidruros, nitruros, carburos y boruros de los metales de transición, que son verdaderas a. con propiedades metálicas. Si el metal base es fuertemente electropositivo, tienden a formarse compuestos no metálicos, como el carburo de calcio.

Cuando la relación de los radios atómicos es mayor de 0,59 como en el caso del C y el Fe, que es 0,63el átomo del no metal es demasiado grande para ocupar un intersticio en la red del metal, y tiene que formarse una estructura cristalina más compleja para acomodar a ese átomo. En el sistema FeC, como los átomos de C no "caben" en los intersticios de la forma a del Fe (red cúbica centrada en el cuerpo), se forma la fase intermedia cementita (v. ACEROS) Fe3C, con propiedades metálicas pero de estructura cristalina compleja.

Propiedades. Las propiedades de las a. vienen precisamente determinadas por la naturaleza, forma, tamaño y distribución de las fases presentes. Cuando se elige una cierta composición, y se somete a la a. resultante a adecuados tratamientos térmicos, es porque así se llega, en el estado sólido, a una combinación óptima de fases de determinada composición, con forma y tamaño adecuados, y distribuidas de tal manera que se alcanza, en el agregado resultante, la combinación de propiedades deseada (para a. concretas de los diversos metales, v. las voces correspondientes).

FELIPE A. CALVO.

BIBL.: E. JIMENO y F. R. MORRAL, Metalurgia General: Extractiva, Física, Mecánica y Química, Madrid 1955; Ca. BARRET y T. B. MASSALSKI, The Structure of Metals, Nueva York 1966; R. E. REEDHILL, Principios de Metalurgia Física, México 1968; A. H. COTTREL, An Introduction to Metallurgy, Londres 1968.