17.9: Aleaciones Binarias

(Esta sección está un poco fuera de servicio, y podría leerse mejor después de la Sección 17.3.)

Si dos metales se funden juntos, y posteriormente se enfrían y solidifican, ocurren fenómenos interesantes. En esta sección nos fijamos en la forma en que se mezclan estaño y plomo. Esto lo hago de una manera totalmente esquemática e idealizada. Los detalles son un poco más complicados (¡e interesantes!) de lo que los presento aquí. Para la descripción detallada y números más exactos, el lector puede referirse a la literatura especializada, como Constitution of Binary Alloys de M. Hansen y K. Anderko y su posterior Segundo Suplemento de F. A. Shunk. En mi descripción simplificada estoy asumiendo que cuando se funden estaño y plomo, los dos líquidos son completamente miscibles, pero, cuando el líquido se enfría, los dos metales cristalizan por separado. Los fenómenos se ilustran esquemáticamente en la siguiente figura, que es un gráfico del punto de fusión versus la composición de la aleación a una presión constante dada (una atmósfera).

El punto de fusión del Pb puro es 327 ºC

El punto de fusión del Sn puro es de 232 ºC

Al estudiar el diagrama, comencemos por el extremo superior de la línea discontinua, donde la temperatura es de 350 ºC y se trata de una mezcla de 70 por ciento de Pb y 30 por ciento de Sn (por mol —es decir, por números relativos de átomos, no por masa relativa). Si revisas las definiciones de fase, componente y grados de libertad, y la regla de fase Gibbs, a partir de la Sección 17.3, estarás de acuerdo en que solo hay una fase y un componente (no hay necesidad de decirme el porcentaje de Sn si ya me has dicho el porcentaje de Pb), y que puedes variar dos variables intensivas de estado (por ejemplo, temperatura y presión) sin cambiar el número de fases.

Ahora, manteniendo constantes la composición y la presión, bajemos por las isópletas (es decir, por la línea discontinua de composición constante). Incluso después de que la temperatura sea inferior a 327 ºC, la mezcla no se solidifica. No pasa nada hasta que la temperatura es de unos 289 ºC. Por debajo de esa temperatura, los cristales de Pb comienzan a solidificarse. La curva completa representa el punto de fusión, o punto de solidificación, de Pb en función de la composición del líquido. Por supuesto, a medida que algunos Pb se solidifican, la composición del líquido cambia a uno de menor porcentaje de Pb, y la composición del líquido se mueve hacia abajo por la curva del punto de fusión. Siempre y cuando el líquido esté a una temperatura y composición indicadas a lo largo de esta curva, solo queda un grado de libertad (presión). No se puede cambiar tanto la temperatura como la composición sin cambiar el número de fases. A medida que la temperatura se baja cada vez más, más Pb se solidifica, y la composición del líquido se mueve cada vez más a lo largo de la curva hacia la izquierda, hasta alcanzar el punto eutéctico a una temperatura de 183 ºC y una composición de 26% Pb. Por debajo de esa temperatura, cristalizan tanto Pb como Sn.

Si hubiéramos comenzado con una composición de menos de 26% de Pb, Sn habría comenzado a cristalizar tan pronto como hubiéramos alcanzado la curva de la izquierda, y la composición del líquido se movería a lo largo de esa curva hacia la derecha hasta llegar al punto eutéctico.

A continuación, mostramos curvas eutécticas similares (altamente idealizadas y esquemáticas) para Pb-Bi y para Bi-Sn. (Para descripciones más precisas, y números más exactos, véase la literatura, como las referencias citadas anteriormente). Los datos para estas tres aleaciones son:

Para los metales puros:

Punto de fusión

Pb 327 ºC

Bi 271

Sn 232

Sn-Pb Eutéctico 183 ºC 26% Pb

Pb-Bi Eutéctico 125 ºC 56% Bi

Bi-Sn Eutéctico 139 ºC 57% Sn