4.2. SOBRE LA SOLIDIFICACIÓN DE UNA ALEACIÓN CON SOLUBILIDAD TOTAL EN ESTADO SÓLIDO
Se investiga en este apartado los objetivos propuestos para el caso de metales que se alean con solubilidad total en estado sólido y en estado líquido cuando solidifican a velocidades lentas y altas. La experiencia se diseña, por tanto, con estos fines, aleando cobre y níquel.

PROCEDIMIENTO OPERATORIO:

1)	Depositar 40x gramos de cobre puro comercial y 40(1-x) gramos de níquel comercial en el crisol.
2)	Introducirlo en el horno de fusión con el termopar en contacto con los metales y en conexión con el registrador.
3)	Elevar la temperatura del horno, registrando la evolución de la misma en el seno del crisol hasta que se evidencia que ambos metales se han licuado.
4)	Desconectar el horno, manteniéndolo cerrado, y registrar el proceso de enfriamiento de la aleación A(B) con la composición x de Cu y (1-x) de níquel, especialmente los dos puntos Tl y Ts en los que existe un cambio de gradiente de enfriamiento.
5)	Efectuar análisis de las probetas solidificadas: a)  metalográficamente para distinguir posibles heterogeneidades de los distintos granos solidificados, b)  análisis espectrográfico de los distintos granos, y c)  dureza de la aleación (HV). d)  Resistividad electrica, r (mW/cm)

Efectuar el proceso para valores de x de 100, 80, 60, 40, 20 y 0 %.
El resultado de los análisis se recoge en las figuras siguientes y en la tabla 5.3.

Figura 5.21 Solidificación de la muestra 1, 100% Cu x 100	Figura 5.22 Solidificación de la muestra 2, 80 % Cu x 100	Figura 5.23 Solidificación de la muestra 3, 60 % Cu x 100

Figura 5.24 Solidificación de la muestra 4, 40% Cu x 100	Figura 5.25 Solidificación de la muestra 5, 20% Cu x 100

Tabla 5.3. Resumen de datos registrados en la experiencia con velocidad de enfriamiento lenta.

 

4.2.1. Fases del diagrama de equilibrio de dos metales con solubilidad total en estado sólido
El espectro térmico diferencial es cualitativamente igual para todas las composiciones ensayadas, con solo dos puntos singulares, Tl, la temperatura de inicio de la solidificación, formación de embriones homogéneos, y la temperatura Ts de terminación de la solidificación.
El análisis metalográfico de las estructuras sólidas determinan que todos los granos de una misma composición poseen la misma composición, tipo de celdilla y microdureza. Todo ello nos lleva a la conclusión de que para todo el campo de composiciones ensayado, la aleación resultante es monofásica o también que existe solubilidad total en estado sólido.
Una estructura monofásica de una aleación indica solubilidad total de los componentes en estado sólido, para ese rango de composición.

4.2.2. Representación del diagrama de equilibrio
Si tomamos diversas concentraciones del metal B en A y hayamos sus curvas de enfriamiento, obtenemos la serie de curvas representadas en la figura 5.26. Las curvas diferenciales de enfriamiento de las aleaciones intermedias presentan dos puntos con cambios de pendiente. El primero correspondiente a la temperatura superior, representa el comienzo de la solidificación, Tl, el segundo representa el final de la solidificación, Ts. Uniendo estos dos puntos, como indica la figura 5.26, obtenemos la línea a trazos que nos da una idea de la forma del diagrama de equilibrio.

Para trazar el diagrama de equilibrio real basta con situar, sobre unos ejes de coordenadas, para los distintos valores de la composición las temperaturas correspondientes a estos puntos característicos, figura 5.27.

Figura 5.27. Diagrama de fase de los metales completamente solubles en estados líquido y sólido.

La línea que resulta de unir los puntos correspondientes al comienzo de la solidificación se llama línea de líquidus, mientras que la que une los puntos finales de solidificación se conoce como línea de sólidus.
La zona L es una región monofásica y toda aleación en esta zona se encuentra en forma de solución líquida homogénea. La zona S es igualmente monofásica, y las aleaciones están en forma de solución sólida homogénea. Entre las líneas de líquidus y sólidus las aleaciones están formadas por mezcla de solución sólida y solución líquida.

4.2.3. Análisis del equilibrio entre fases en la zona bifásicas
Consideremos un punto del diagrama T1-XA, en la zona bifásica L + S, punto n de la figura 5.28.

 

 

 

 

Figura 5.28. Diagrama que muestra las isotermas de igual composición para las fases existentes

 

 

 

La composición de la fase líquida será X3, y la composición de la fase sólida será X2. La razón es sencilla. Un diagrama de equilibrio, hemos dicho, es el diagra-ma que hace mínima la energía libre del sistema. Sistema que en este punto bifásico está definido por las proporcio-nes entre fases y sus composiciones específicas.
Podríamos denominarlos también diagramas de energía libre mínima. Por tanto, las proporciones de cada fase y sus composiciones son función del estado, por lo cual podemos establecer que:

	La composición de cada fase queda definida unívocamente por las variables presión y temperatura.
	La proporción de cada fase queda definida unívocamente por la presión, temperatura y concentración de los componentes.

En una zona bifásica, la composición de una fase es la misma que la que posee esa misma fase a la misma temperatura en la zona monofásica limítrofe.

4.2.4. Determinación de la cantidad relativa de cada fase
Como ya hemos citado, las proporciones de cada fase también es función de estado en el diagrama de energía libre. Esto significa que ésta es función biunívoca de la temperatura y composición de la aleación.
Consideremos en la figura 5.28, el mismo punto n (T1, XA) de la zona bifásica. Realicemos un balance de masa en ese punto. Sea P la cantidad de aleación, PL la cantidad de fase líquida, PS la cantidad de fase sólida, PA la cantidad de metal A, y PB la cantidad de metal B de la aleación.

	Para n tenemos XA de A y (1-XA) de B
	Por otra parte en la fase líquida PL tenemos X3 de A y (1-X3) de B.
	Y en la fase sólida PS, X2 de A y (1-X2) de B.
	Evidentemente, P = PL + PS = PA + PB.

De esto, para el componente A, se verifica que:

PA = X3 PL + X2 PS = XA P = XA (PL + PS) (6.2)

de donde:

(X2 - XA)PS = (XA - X3)PL (6.3)

y por tanto:

PS/PL = (XA - X3)/(X2 - XA) (6.4)

Es la regla, similar a la de la palanca de Mecánica, que define las proporciones entre fases a cada temperatura.
La proporción entre fases es inversamente proporcional a la distancia que separa cada fase de su respectiva zona monofásica.

4.2.5. Condiciones de reversibilidad
Escojamos un punto del diagrama de la figura 5.29 con una concentración del 70% de A y 30% de B, en un proceso de enfriamiento reversible desde la temperatura de líquidus.
Una aleación como la 70A-30B a temperatura T0 es una solución homogénea de una sola fase líquida, figura 5.29, y permanece así hasta que se alcanza la temperatura T1, línea liquidus, en la que se inicia la solidificación. El primer núcleo de solución sólida que se forma, a1, será muy rico en el metal de mayor punto de fusión A y estará constituido por 95A-5B (regla I). Como la solución sólida en formación toma material muy rico en A del líquido, este último será más rico en B. Precisamente después de iniciarse la solidificación, la composición del líquido es de alrededor de 69A-31B, figura 5.29.

Figura 5.29. enfriamiento lento de una aleación de solubilidad total en todos los estados.

Cuando se alcanza la temperatura menor, T2, la composición líquida está en L2. La única solución sólida en equilibrio con L2, y por tanto la única solución sólida que se forma en T2, es a2. Aplicando la regla I, a2 está constituida por 10B; en consecuencia, conforme la tem-peratura disminuye, no sólo hace que la composición del líquido sea más rica en B, sino también la solución sólida. En T2, los cristales de a2 se forman rodeando los centros de composición a1, y también separan las dendritas de a2, figura 5.20. Para que se establezca el equilibrio en T2, la fase sólida entera deberá tener a una composición a2. Esto requiere difundir los átomos de B al centro rico en A no sólo del sólido apenas formado, sino también del líquido. Esto es posible sólo si el enfriamiento es extremadamente lento, de modo que la difusión pueda ir al mismo ritmo que el crecimiento cristalino, figura 5.29.
En T2, las cantidades relativas del líquido y de la solución sólida pueden determinarse mediante la regla II. Conforme la temperatura disminuye, la solución sólida continúa su crecimiento a expensas del líquido. La composición de la solución sólida sigue la linea sólidus, en tanto que la composición del líquido sigue la línea líquidus, haciéndose ambas fases más ricas en B.
En T3, figura 5.29, la solución sólida formará aproximadamente las tres cuartas partes de todo el material presente. Mediante la regla de la palanca en T3 se determinan las cantidades relativas de a3 y L3. Finalmente, la linea sólidus se alcanza en T4 y lo último del líquido L4 muy rico en B, solidifica con preferencia en las fronteras de grano, figura 5.29. Los procesos de difusión permitirán que toda la solución sólida sea de composición uniforme (70A-30B), que es la composición general de la aleación, figura 5.29. Esta figura muestra la microestructura de una aleación de solución sólida enfriada lentamente, donde sólo hay granos y límites de grano. No hay pruebas de que exista alguna diferencia en la composición química en el interior de los granos, indicando que la difusión ha homogeneizado los granos.

En definitiva, observamos que debe existir un proceso de difusión tanto en los cristales sólidos formados con excesiva riqueza en A, como en el líquido restante, con excesiva riqueza en B. Los diagramas los hemos definido como procesos reversibles termodinámicamente los que, como sabemos, se apartan bastante de la práctica industrial. Tendremos suficiente exactitud en la descripción del diagrama de fases si las velocidades de enfriamiento son lo suficientemente lentas para permitir grados de difusión y de homogeneidad de las fases suficientemente aceptables desde la óptica del control industrial.
Un proceso de solidificación industrial puede calificarse de reversible cuando su velocidad de enfriamiento permite los procesos de difusión entre fases hasta el punto que éstas pueden ser admitidas como de composición uniforme entre los granos y entre las zonas diferentes de cada grano.

4.2.6. Características mecanicas de las aleaciones
La figura 5.31, representa la correlación de la composición de la aleación y características resistentes representadas por la dureza. Se puede observar como cualquier adición al metal puro significa un endurecimiento de la aleación mostrándose un máximo para composiciones intermedias, entorno al 20% Cu y 70% Ni.

Figura 5.31. Correlación de la dureza HV y la composición de la aleación.

Este mismo efecto se produce en otras características resistentes, carga de rotura, alargamiento, como se indican en la figura 5.32. La carga de rotura y límite elástico es mayor para composiciones del 70% Ni. Consecuentemente, el alargamiento sufre una disminución como resultado del endurecimiento de la aleación.

La aleación de metales puros es un procedimiento para conse-guir el endurecimiento de aquellos, o lo que equivale a decir mejorar características resistentes, carga de rotura, límite elástico, dureza, y disminuir características plásticas, alargamiento y estricción.

4.2.7. Causas de la variación de las características resistentes de una aleación
Cuando dos metales son totalmente solubles en estado sólido, el único tipo de fase sólida que se forma será una solución sólida por sustitución. Por lo general, ambos metales cristalizan en el mismo sistema y la diferencia de radios es inferior al 8%.
Precisamente la diferencia de los radios atómicos entre el metal solvente y soluto determina unas distorsiones en la estructura cristalina que es origen de la disminución de la plasticidad, o lo que es equivalente, el aumento de endurecimiento. De todos modos este punto se justificará con mayor profundidad en unidades didácticas posteriores.
La aleación de solución sólida por sustitución infiere distorsiones en la red reticular por las diferencias de radios atómicos que es la causa primaria del endurecimiento asociado.

4.2.8. Conductivilidad eléctrica de las aleaciones
La figura 5.33, representa la correlación gráfica entre la compo-sición y la resistencia eléctrica de la aleación. Se observa que con la adición de pequeños porcentajes de elemento aleante, la resistividad aumenta fuertemente, especialmente en el metal más conductor, el cobre.

Figura 5.33. Correlación de la resistividad eléctrica de la aleación con el contenido en cobre de la misma.

Cantidades mayores de aleante tienen menor influencia, dándose un máximo de resistividad en composiciones intermedias. Las causas de la pérdida de conductividad está en la naturaleza del enlace metálico, donde una nube de electrones compartidos por todos los átomos muestran movimientos libres a través de los huecos libres en la estructura reticular. La aleación distorsiona la estructura y la probabilidad de choque de los electrones libres con los átomos reticulares aumenta, lo que significa un aumento de la resistividad eléctrica.
Los metales puros con estructuras cristalinas ideales, no distorsionadas, muestran una conductividad eléctrica máxima. Los elementos aleantes aumentan fuertemente su resistividad.