Principios de Solubilidad Sólida en Aleaciones Metálicas: Las Reglas de Hume-Rothery

Principios de Solubilidad en Aleaciones Metálicas: Disolvente, Soluto y las Reglas de Hume-Rothery

Definición de Disolvente y Soluto en Sistemas Metálicos

Cuando a un metal se le adicionan otros átomos, pueden ocurrir dos escenarios principales:

1. Solubilidad: Los nuevos átomos se sitúan en el edificio cristalino del metal. Se dice que son solubles, dando origen a disoluciones sólidas o a compuestos intermetálicos.
2. Insolubilidad: Los nuevos átomos no son capaces de formar parte del edificio cristalino del metal, en cuyo caso se dice que son insolubles.

Criterios para la Identificación de Disolvente y Soluto

• Misma Red Cristalina: Si los elementos que se alean tienen la misma red cristalina, el disolvente es el que entra en mayor proporción, y los restantes son el soluto.
• Distinta Red Cristalina: Si tienen distinta red cristalina, el disolvente es el que conserva su red cristalina, aun cuando entre en menor proporción.

Las Leyes Fundamentales de Hume-Rothery para la Solubilidad Sólida

Las Leyes de Hume-Rothery establecen las condiciones necesarias para que un soluto se disuelva en un disolvente, formando una solución sólida sustitucional o intersticial.

1. Factor Tamaño Atómico (Diferencia de Radio)

   Si los átomos del soluto y del disolvente tienen un tamaño similar, podrán alojarse en la red cristalina, y en mayor proporción cuanto menor sea la diferencia. Cuando la diferencia es muy acentuada, la red será distorsionada en un sentido expansivo o contractivo. Existe un límite por encima del cual no puede existir el cristal: el valor establecido para las diferencias de los radios atómicos no puede superar el 15%.

2. Factor Electroquímico (Electronegatividad)

   Cuando uno de los metales es fuertemente electronegativo con relación al otro, la tendencia a formar soluciones sólidas se hace muy pequeña, favoreciendo la formación de compuestos intermetálicos. Conclusión: La semejanza de configuración electrónica favorece la solubilidad.

3. Factor Valencia

   En igualdad de condiciones, si las valencias del disolvente y del soluto son iguales, esto implica una amplia solubilidad.

4. Concentración Electrónica

   El disolvente suele tener una capacidad limitada para admitir electrones del soluto (definición de nube electrónica). El límite de solubilidad se alcanza cuando la relación de valencia/átomos alcanza el valor de 1,4.

5. Factor Estructura Cristalina

   Los metales con estructuras cristalinas semejantes presentan una mayor solubilidad.

Consecuencias de los Factores de Hume-Rothery

• Cuando todos los factores son favorables, se espera una solubilidad total.
• Con un solo factor desfavorable, se puede alcanzar una solubilidad extensa.
• A mayor número de factores desfavorables, menor solubilidad.

Aplicación de la Insolubilidad en la Ingeniería de Materiales

La insolubilidad se utiliza estratégicamente para facilitar el mecanizado de materiales, creando discontinuidades en la matriz del metal que pueden ser favorables para la maquinabilidad. Ciertos compuestos insolubles modifican propiedades clave de los materiales, como la maquinabilidad, la dureza y la resistencia mecánica.