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Presentación sobre el diagrama de equilibrio de solubilidad parcial de las aleaciones

1. Diagramas de Equilibrio de Solubilidad Parcial Comprendiendo las aleaciones y sus microestructuras

2. Aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido Las características de las aleaciones vienen determinadas por la microestructura que forman los elementos al estar combinados, lo que depende de la composición de la aleación. Es decir, varía según la cantidad relativa de los elementos. Para entender los diagramas de fases de este tipo de aleaciones, primero es necesario comprender la diferencia entre aleaciones con solubilidad parcial en estado sólido y las aleaciones con solubilidad total. Solubilidad Total Cuando los dos componentes, A y B, de la aleación son solubles para cualquier composición en estado sólido, forman una única fase sólida , por ejemplo α. Es decir, después de solidificar, tras cruzar la línea de solidus , únicamente existirá esta fase, independientemente de la composición de la aleación. Solubilidad Parcial El caso más común es que, dependiendo de la composición y la temperatura, los componentes de la aleación presenten distinta solubilidad, dando lugar a distintas zonas por debajo de la línea de solidus. Existirán dos fases sólidas distintas, α y β.

3. Fases sólidas en aleaciones de solubilidad parcial Fase α Corresponde con una solución sólida del componente B disuelto en A, lo cuál ocurre para composiciones con porcentajes bajos de B. Fase β Es una solución sólida del componente A disuelto en B, que ocurre para composiciones con bajas cantidades de A. Zona Bifásica Toda la zona intermedia del diagrama corresponde con la zona bifásica , donde aparecen ambas fases formando un tipo de microestructura característica llamada eutética . Diagrama de equilibrio de solubilidad total Diagrama de equilibrio de solubilidad parcial    

4. La línea de solvus Los diagramas de solubilidad parcial en estado sólido muestran una línea característica adicional a las ya conocidas línea de líquidus y línea de sólidos , llamada línea de solvus . La línea de solvus indica el límite de solubilidad de un componente en otro formado la fase sólida (de B e A formando α o de A en B formando β) en función de la temperatura. Observando la línea de solvus izquierda (la relativa a la fase sólida α) se comprueba cómo, según se reduce la temperatura, la línea de solvus se aproxima al componente A. Esto indica que la solubilidad de B en A para altas temperaturas es mayor (se puede disolver más cantidad), y que se reduce al enfriar al ambiente. De manera análoga ocurre con la solubilidad de A en B. Este detalle tendrá sus efectos en las microestructuras generadas y es muy importante en algunos tipos de aleaciones, como las de aluminio, posibilitando la aplicación de tratamientos térmicos de envejecimiento.

5. ¿Cómo se forma el diagrama? El diagrama se forma a partir de las curvas de enfriamiento de las distintas composiciones de la aleación, dando como resultado cada una de las zonas del diagrama. Pongamos como ejemplo las siguientes 5 composiciones: 1 Composición I Corresponde con el metal puro A, cuya curva de enfriamiento muestra la zona de solidificación a temperatura constante. 2 Composición II Es una aleación con el 95% de A y el 5% de B, cuyo proceso de solidificación se lleva a cabo en un rango de temperaturas. Esto se debe a que un componente (aquel con mayor punto de fusión) solidifica antes, mientras el otro todavía se está enfriando. 3 Composición III Corresponde con una aleación con el 80% de A y el 20% de B, en cuya curva se detectan más zonas. La solidificación se produce, al igual que para III, en un rango de temperaturas, pero mostrando dos zonas en la curva de distinta pendiente. 4 Composición IV Del 62% de A y 38% de B, muestra también las 4 zonas. Inicialmente se inicia la solidificación del componente A en un rango de temperaturas, seguida de la solidificación de ambos componentes, a una temperatura constante como si se tratase de un metal puro. 5 Composición V Corresponde con la composición eutéctica , cuyo proceso de solidificación se lleva a cabo a temperatura constante, como si se tratase de un metal puro.

6. Partes características del diagrama Línea de liquidus Por encima de la cual se encuentra la fase líquida. Línea de solidus Por debajo de la cual toda la aleación es sólida. Línea de solvus Marca los límites de solubilidad en estado sólido, separando las zonas monofásicas de la zona bifásica. Punto eutéctico (E) Quizás el más característico de estas aleaciones. Se observa para la composición eutéctica , aquella con el menor punto de fusión , donde el líquido solidifica simultáneamente en α+β. Transformación eutéctica Es la parte horizontal correspondiente a la línea de solidus . Al cruzarla, el líquido solidifica en α+β, formando la microestructura eutéctica.

7. Microestructuras resultantes Al contrario de lo que ocurre para las aleaciones que presentan un diagrama de solubilidad total, donde en estado sólido únicamente aparece una microestructura monofásica de la fase sólida α, el diagrama de solubilidad parcial conduce a distintos casos, siendo un diagrama de fases mucho más rico. Composición con estructura monofásica La aleación tiene una composición con un porcentaje de B inferior a la línea de solvus , la cual nunca corta. Analizando la curva de enfriamiento de esta aleación, inicialmente el metal es líquido, comenzando su solidificación en granos de la fase α al cruzar la línea de liquidus (zona bifásica L+α). Al cruzar la línea de solidus , todo el líquido habrá solidificado formando una única fase sólida α, dando como resultado una microestructura monofásica similar a la vista para aleaciones con solubilidad total en estado sólido. Nota: un caso similar a este se produce en el otro extremo del diagrama (aleación con un porcentaje alto de B y bajo de A), si la composición de la aleación se sitúa por encima de la línea de solvus de β.

8. Más microestructuras: precipitados y eutéctica Composición con estructura de granos con precipitados La segunda composición analizada corta la línea de solvus durante el enfriamiento, lo que genera una variación respecto del caso anterior. Inicialmente, comienza a solidificar la fase sólida α, hasta completar la solidificación al cruzar la línea de solidus , obteniendo la microestructura monofásica. Sin embargo, al descender la temperatura, se cruza la línea de solvus , entrando en la zona bifásica α+β del diagrama. Como se ha comentado, la línea de solvus marca la máxima solubilidad de α, la cual se reduce con la temperatura. Esto indica que al cruzar la línea de solvus , la solución sólida α se sobresatura del componente B. Hay mayor cantidad de B disuelto de la que se admite, por lo que este es expulsado por los límites de grano, formándose la solución sólida β. El resultado es una microestructura de granos de α, con β precipitado o segregado en los límites de grano. Composición eutéctica La aleación con la composición eutéctica es aquella que presenta el menor punto de fusión de todo el diagrama, reconocible por el vértice en la línea de liquidus . Encontramos el punto eutéctico , donde se produce la peculiaridad de que coexisten en equilibrio las tres fases: líquido, α y β durante el proceso de solidificación. Es decir, directamente se produce la solidificación simultánea de la fase líquida en las fases α y β. La forma en la que ambas fases se distribuyen es muy característica, recibiendo el nombre de microestructura eutéctica , reconocible por mostrar forma de láminas alternas de α y β. El resultado es una microestructura con granos formados por láminas alternas de α y β, la microestructura eutética.

9. Composiciones hipoeutéctica e hipereutéctica A partir de la composición eutéctica, se clasifican dos nuevos tipos de aleaciones según tengan un contenido en B mayor o menor que la eutéctica. Aleaciones hipoeutécticas Las aleaciones hipoeutécticas son aquellas con una composición en B inferior que la eutéctica que cruzan la transformación eutéctica (parte horizontal a temperatura constante de la línea de solidus ). Inicialmente, el líquido comenzará a solidificar en la fase α al descender la temperatura (zona bifásica L+α). Conforme la temperatura desciende, la fase líquida disminuye, aumentando la concentración del componente B, hasta alcanzar la transformación eutéctica. A esta temperatura coexisten la solución sólida α y una fase líquida cuya composición es la composición eutéctica. Por lo tanto, al cruzar la transformación eutéctica, la fase líquida solidificará tal cual lo haría una aleación de composición eutéctica, formando α y β en láminas alternas. El resultado es una microesctructura consistente en una matriz eutéctica (α+β) con granos dispersos de α proeutéctica, por haberse formado previamente a la transformación eutéctica. Aleaciones hipereutécticas Las aleaciones con una composición en B mayores a la composición eutéctica que cruzan la transformación eutéctica son conocidas como aleaciones hipereutécticas . La microestructura resultante sigue un mecanismo similar al explicado para las aleaciones hipoeutécticas, con la diferencia de que se forma el microconstituyente β proeutéctico. El resultado es una microestructura de matriz eutéctica (α+β) y con granos dispersos de β proeutéctico.

10. Identificación de porcentajes y Regla de la Palanca La utilidad del diagrama de equilibrio no es únicamente cualitativa, si no que también sirve para cuantificar porcentajes de los componentes y fases de la aleación. Seleccionemos como ejemplo una aleación con el 20% de A y 80% de B a una temperatura de 200 ºC. Se encuentra en la región bifásica α+β, y como durante el enfriamiento se ha cruzado la transformación eutéctica, encontraremos una microestructura típica de una aleación hipereutéctica. Tendremos una matriz eutéctica, y granos dispersos de β proeutéctico. Para obtener los porcentajes de cada uno se trazan los segmentos horizontales PQ y QR, hasta cortar con la línea discontinua que marca la composición eutéctica (P) y con la línea de solvus que marca el límite de solubilidad de β (R). Bajando verticalmente hasta el eje x, leemos cual es la composición para los puntos P y R, obteniendo 58% de B y 94% de B, respectivamente. Para obtener la masa relativa de eutéctica dividimos el segmento QR entre el segmento PR: Para obtener la masa relativa de β proeutéctico dividimos el segmento PQ entre PR: Cálculo de masas con la regla de la palanca