Capitulo 4. teoria_general_de_las_aleaciones._las_propiedades_fisicas

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Capítulo 4. Teoría de las aleaciones. Las propiedades físicas
4.1. Introducción
En el capítulo 1 se estableció que en este grupo se reúnen las propiedades primarias o
básicas de la materia, con otras que son consecuencia de fenómenos motivados por
agentes físicos externos. Las propiedades físicas más importantes son:
 La extensión
 Las magnéticas
 Las eléctricas
 Las térmicas (calor específico, calor latente de fusión, conductividad térmica,
dilatación térmica), puntos de ablandamiento y ebullición.
 Las ópticas
 Las acústicas
 Las gravimétricas
Las propiedades físicas son características que pertenecen a la interacción entre los
materiales y los varios campos de energía (gravitatorios, magnéticos, eléctricos,
térmicos, acústicos, ópticos) o con otras formas de la materia. En esencia, caen en el
campo de las ciencias físicas, generalmente se pueden medir sin destruir o cambiar el
material. El color es una propiedad física, se puede determinar simplemente mirando el
material. La densidad se puede determinar pesando y midiendo el volumen del objeto,
es una propiedad física, el material no tiene que cambiarse ni destruirse para medir esta
propiedad.
Muchas propiedades físicas radican en el ordenamiento electrónico y el tipo de enlace,
los cuales pueden variarse, con la adición de uno o varios elementos a otro, para obtener
aleaciones con propiedades sorprendentes, como se muestra en el capítulo 10.
4.2. Aleaciones con propiedades magnéticas especiales
El magnetismo y los imanes se conocen desde la Antigüedad, de hecho ya en 600 a. C.
Tales de Mileto describía detalladamente los imanes o piedras magnéticas, que eran
variedades de magnetita Fe3O4); posteriormente los imanes prácticos se basaban en
acero al carbono templado. Pero la comprensión plena del fenómeno del magnetismo
no se logró hasta el desarrollo de la teoría cuántica. 1
La intensidad del campo magnético H (en A/m) crea en los materiales una inducción
magnética B (en Teslas), que está determinada por la permeabilidad, μ, en el espacio,
donde μ = B/H. en el vacío B = μ0H.
Inicialmente, para caracterizar macroscópicamente las diversas sustancias es
conveniente introducir el concepto de momento magnético, M, que se define como la
cantidad proporcional al producto de la corriente que se mueve en un circuito por el área
encerrada por el mismo. Si se aplica un campo magnético externo, H, se verá que la
fuerza sobre este dipolo es proporcional al campo magnético, y el resultado
experimental es que las sustancias paramagnéticas diamagnéticas adquieren un

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momento magnético proporcional al campo. Esta relación es lineal y se puede definir a
la susceptibilidad magnética, χ, como la razón entre el momento magnético y el campo.
Para sustancias diamagnéticas la susceptibilidad χ es pequeña y menor de cero, del
orden -1 x 10-6. Para materiales paramagnéticos es positiva y un poco mayor. Por tanto
se puede afirmar que en estas sustancias el campo aplicado que actúa es sobre los
dipolos magnéticos es el mismo que en el vacío. Sin embargo, en otros sistemas el
campo producido por los momentos magnéticos es grande, por lo que se deben tener en
cuenta estos campos y adicionarlos al campo aplicado. De modo que
B = μoH + μoM (4.1)
donde μoM es la llamada polarización, J y
B = μoH + J (4.2)
Los materiales están compuestos por dominios magnéticos, donde los momentos están
alineados en una dirección. En la figura 4.1 se puede ver que al incrementar el campo
externo los dominios se alinean, pero que después se necesita un campo mayor para
conseguir una pequeña variación de B. Si se disminuye el campo externo, se verá que la
curva no retorna al punto de partida y ese es el fenómeno de histéresis que se debe a la
irreversibilidad del proceso.
Figura 4.1. Curva de histéresis para un material ferromagnético.
Las medidas más importantes que se ven en la figura 4.1 son
 La magnetización remanente, Br – Densidad del flujo
 El nivel de saturación, S
 La coercividad, Hc
 No se muestra pero el producto BxH en el cuadrante de desmagnetización
alcanza un máximo en algún punto BHmax.
4.2.1. Aleaciones magnéticas duras
Las sustancias que poseen un momento magnético permanente, aún en ausencia de un
campo magnético externo son las ferromagnéticas y solamente lo son algunos

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elementos: Fe, Co, Ni y algunas tierras raras como Gd, Sm, Dy, Nd y Pr. Los que tienen
elevada coercividad son los que se usan para imanes permanentes. Los imanes
permanentes se usan para producir campos fuertes sin aplicar una corriente a una
bobina, por tanto deben exhibir una fuerte magnetización remanente y ser estables en la
presencia de campos externos fuertes, lo que requiere elevada coercividad. Ello
significa que, idealmente, su ciclo de histéresis debería ser rectangular. Estos son los
materiales magnéticamente duros. Los otros son los blandos.
Ambos términos se originaron con la segunda generación de imanes: los de aceros
endurecidos, donde la coercividad es incrementada por las deformaciones debidas a la
transformación martensítica, por tanto la coercividad se relacionó indirectamente con la
dureza.
La composición química, los métodos de fabricación y el tratamiento térmico tienen
influencia sobre las propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos Todas las
propiedades, sin embargo, no dependen por igual de esos factores. Por ejemplo, la
saturación magnética no varía casi con la composición química mientras que la fuerza
coercitiva y la permeabilidad varían fuertemente. En las composiciones de las
aleaciones dobles y triples deben distinguirse los materiales constitutivos y las
impurezas accidentales.
En la actualidad los materiales magnéticos duros se clasifican en aleaciones, cerámicas
y materiales sinterizados o aglomerados.
Acá interesan los primeros y, en menor medida, los terceros, pero no los cerámicos.
Las principales aleaciones magnéticas duras son:
 Aceros al Co
 Aceros al W
 FeCoWC
 AlNiCoTi
 FeCrCo
 FeCoVCr
 RE Cobalt
 RE FeB
 PtCo
 CuNiFe
Y entre los materiales sinterizados se pueden mencionar
 NiCoFeTi aglomerado
 RE Cobalt aglomerado
 NdFeB aglomerado
El estado del arte de estos materiales en 1950 está en el libro clásico de Bozorth.2 Su
desarrollo en los últimos sesenta años ha sido muy grande en el campo de los materiales
magnéticos duros, sobre todo en la mejora de las propiedades magnéticas y otras

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propiedades físicas, mecánicas y químicas.3,4,5 Uno de los parámetros que se ha
mejorado mucho es la habilidad para almacenar energía, caracterizada por (BH)max.6 - 8
La búsqueda de nuevos materiales se centra en aquellos con elevados valores de
temperatura Curie, saturación magnética y fuerza coercitiva. La figura 4.2 muestra el
desarrollo de estos materiales.9
Los materiales RE-TM se basan en las tierras raras (Rare Earths) y los metales de
transición hierro y cobalto. La combinación de las propiedades de la subred de las
tierras raras y la subred 3d del metal de transición llevó al desarrollo de esta nueva clase
de materiales magnéticos duros. Las dos clases más relevantes de materiales RE-TM se
basan en samario y cobalto los cuales exhiben elevada fuerza coercitiva, bajos
coeficientes de temperatura, y en neodimio y hierro, que no tienen rival en términos de
su producto BHmax .
4, 10 -14
Figura 4.2. Volumen de producción de los materiales magnéticos duros.9
Las aleaciones magnéticas duras que se considerarán acá son los aceros hierro cobalto y
las níquel cobalto, los compuestos de tierras raras, las RE – Co y las Nd-Fe-B.15
Acero al cobalto
Los aceros al tungsteno (hasta 6% W) fueron inventados a finales del siglo XIX y hacia
1917 se descubrieron, en Japón, los aceros al cobalto. Estos pueden contener hasta 40%
Co, pero se usa generalmente 35% Co. En estado recocido estos aceros se pueden
trabajar en frío y maquinarse. Para lograr su coercividad el acero se austeniza y se
templa. El imán resultante es frágil y no se puede maquinar, a pesar de ello, figura 4.2,
su volumen de producción es todavía elevado.
Aleaciones de níquel y cobalto
En 1931 T. Mishima inventó los imanes de Al-Ni-Fe y Al-Ni-Co, que se conocieron
como alnicos, independientemente de si tenía hierro o cobalto y de si eran anisotrópicos
o isotrópicos.16 Se pueden fabricar por vaciado o por sinterización. El contenido de
cobalto varía entre 12 y 30%, pues al aumentarlo se incrementa la fuerza coercitiva. Una
variedad con la composición 7 Al, 14 Ni, 34 Co, 5 Ti, 5 Cu y el resto hierro, por medio
de endurecimiento precipitación y recocido bajo un campo magnético puede alcanzar un

5
producto de energía (BHmax) de 8 MG Oe y se le denomina Alnico 8. Como se ve en la
figura 4.2, todavía se produce mucho Alnico.
Compuestos intermetálicos de tierras raras
Estos materiales se han usado desde 1907 como pedernales para los encendedores. El
desarrollo de estos materiales realmente empezó después de la Segunda Guerra Mundial
cuando estuvieron disponibles las tierras raras de elevada pureza, en parte debido a la
investigación con los actínidos. Desde entonces se han realizado muchas
investigaciones para utilizar las tierras raras en los imanes permanentes, los cuales
culminaron con el hallazgo de la gran anisotropía del YCo5. La figura 4.3 muestra los
ejes de fácil y difícil magnetización de varios compuestos de elevada anisotropía. El
descubrimiento de tal curva para el YCo5, figura 4.4, realizado por Hoffer y Strnat en
1966, fue el punto de inicio real de los desarrollos de los imanes de tierras raras.17
Figura 4.3. Curvas de magnetización para los ejes fácil y difícil de varios compuestos de
elevada anisotropía para imanes permanentes.18
Figura 4.4. Momento magnético a temperatura ambiente, medido y calculado, para el
YCo5 vs el campo aplicado en las direcciones más fáciles y más difíciles de
magentizar.17
Los compuestos (RE – TM)
Las propiedades magnéticas de las aleaciones de tierras raras con los elementos 3d Mn,
Fe, Co y Ni han sido tema de muchísimas investigaciones. No se conocen compuestos

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entre las tierras raras y los elementos 3d Ti, V y Cr. Sin embargo, los elementos 3d Mn,
Fe, Co y Ni forman miles de compuestos intermetálicos con las tierras raras. Estos son
los materiales que se están usando modernamente para los imanes permanentes.
La estructura del compuesto YCo5 (y la mayoría de otros compuestos TRCo5, incluido
el SmCo5, que es el más importante de ellos) es la misma que la del CaCu5, bien
conocida, figura 4.5. Debido a su naturaleza hexagonal es posible una fuerte anisotropía
magnética. Empezando con el YCo5 (o SmCo5) se han formulado muchos compuestos
1:5 o compuestos seudobinarios de fórmula (TR1TR2)(M1M2)5 y se han caracterizado.18
En la figura 4.6 se muestra las estructuras cristalinas tipo Th2Ni17 y Th2Zn17; se indica la
probable posición del carbono o el nitrógeno como intersticiales. Las estructuras básicas
son importantes para los imanes del tipo Sm2Co17, en tanto que los intersticiales forman
imanes duros basados en Sm2Fe17. También en este caso se pueden formar muchos
compuestos 2:17 o compuestos seudobinarios con fórmula (TR1TR2)2(M1M2)17 que se
han caracterizado magnéticamente.
Figura 4.5. Estructura cristalina del SmCo5 (tipo CaCu5). El plano predominante es el
(0001) con una dirección de deslizamiento [2110]
(a) (b)
Figura 4.6. Representación esquemática de (a) la estructura hexagonal tipo Th2Ni17 y (b)
la estructura romboédrica tipo Th2Zn17 importante para los compuestos R2Fe17N (C)x .
Los compuestos átomos N(C) ocupan los intersiticiales.19

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En 1935 se reportó, en una nota corta, la elevada coercividad de las aleaciones de Nd-Fe
(probablemente con alguna impureza de B), pero tal hallazgo no tuvo eco.20 El diagrama
de fases Nd- Fe-B fue investigado por Chaban et al.21 quienes reportaron una fase
cercana a la composición 2:14:1, pero se aportaron mediciones magnéticas. En 1984 el
trabajo de Sagawa et al.22 abrió el campo del Nd – Fe – B sinterizado aplicado a los
imanes. Poco después se confirmó la estructura cristalina del Nd2Fe14B, que es idéntica
a la del Nd2Fe14C, como se ve en la figura 4.7.
Figura 4.7. Estructura cristalina del compuesto
R2Fe14C, tipo Nd2Fe14B.19
El campo anisotrópico 𝐻𝐴
∗
para varios compuestos TR2F14B, como función de la
temperatura, se muestra en la figura 4.8. Como se puede observar, principalmente las
aleaciones de Nd y Pr son adecuadas para imanes permanentes. La temperatura Curie
también es claramente visible.
Materiales aglomerados
Estos son materiales donde los polvos del material magnético se aglomeran con resinas,
como la epóxica, tienen la ventaja de un alto producto BHmax, pero son más difíciles de
fabricar en una forma dada y también de magnetizar. Sin embargo sus ventajas son
suficientes como para que cada vez se produzcan más.
4.3.2. Aleaciones magnéticas blandas
Se ha dado una visión rápida de las aleaciones magnéticas duras. Por el contrario, los
materiales magnéticos blandos son los que se magnetizan y desmagnetizan fácilmente,
es decir, tienen alta saturación y baja coercividad, idealmente su ciclo de histéresis
debería ser una recta.

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Figura 4.8.Relación entre el campo anisotrópico μ0HA y la temperatura para varios
compuestos R2Fe14B.23
Los materiales magnéticamente blandos más usados son:
 Materiales ferromagnéticos basados en hierro y níquel que operan en aparatos
con frecuencias inferiores a 2 kHz.
 Materiales ferrimagnéticos basados en los óxidos cerámicos de los metales
(ferritas) que se pueden usar bajo frecuencias hasta de 80 kHz.
De estos, obviamente sólo interesan acá los primeros.
Aleaciones hierro – silicio
Los aceros eléctricos se usan para núcleos de trasformadores. En la industria de la
potencia eléctrica el voltaje casi siempre es AC y la frecuencia baja: 50 – 60 Hz. A esas
frecuencias se generan corrientes superficiales (Eddy currents) en el núcleo del
transformador y la aleación con Si tiene un efecto marcado sobre la resistividad del
material, con un factor de 4 para 3% en peso de Si.
El silicio también tiene el beneficio de reducir la magnetostricción (el cambio de
dimensiones con la magnetización) y la anisotropía magnetocristalina. Además el
material se usa como láminas de 0.3 a 0.7 mm de espesor.
Si se añade mucho silicio el material se hace demasiado frágil y difícil de producir, es
decir, el límite es 4% Si, aunque se han desarrollado técnicas para aportar más de 6% Si.
Para las aplicaciones en transformadores el flujo yace predominantemente a lo largo del
eje de laminación y es deseable mejorar la permeabilidad en ese sentido. Esto se logra
mediante laminación controlada, que produce láminas texturadas, conocidas como acero
de grano orientado, con la dirección [001] paralela al sentido de la laminación.
Las direcciones cristalinas tipo <001> son direcciones fáciles de magnetización y por
tanto es mayor. La figura 4.9, muestra la anisotropía del hierro e ilustra los dos tipos de
texturas que se pueden lograr, conocidas como cubo en la arista y cubo. Nótese que la

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textrua cubo tiene dos direcciones tipo <001> en el plano de la lamina y proporciona
una ventaja si se deben cortar formas en E a partir de la lámina.
(a)
(b) (c)
Figura 4.9. Las direcciones de magnetización. (a) M vs H, (b) textura cubo arista (c)
textura cubo.
Aleaciones níquel - hierro
Estas aleaciones conocidas como permalloy son extremadamente versátiles y se usan en
composiciones que van de 30 a 80% de Ni. En este intervalo de composiciones las
propiedades varían y por eso se optimizan para las aplicaciones particulares.
Las aleaciones con contenido elevado de NI tienen alta permeabilidad; alrededor de
50% en peso de Ni tienen elevada saturación y a bajo Ni tienen alta resistencia eléctrica.
Hay grados especiales de aleaciones Ni – Fe que tienen cero magnetoestricción y cero
anisotropía magnética, como el Mumetal que se produce por tratamiento térmico
cuidadoso y adiciones menores de Cu y Cr. Estas aleaciones tienen permeabilidad
relativa extremadamente elevada, hasta 300000, y coercividad extrínseca tan baja como
0.4A/m.
Aleaciones nanocristalinas
Se han desarrollado aleaciones nanocristalinas de hierro para alcanzar una elevada
saturación, alta permeabilidad y baja pérdida magnética.24, 25, 26 Esas aleaciones se
preparaban enfriando rápidamente desde el estado líquido para obtener un material
amorfo que luego se trata térmicamente para inducir cristales basados en fases bcc. La

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estructura magnética resultante es única: los nanocristales con tamaños del orden de 10
nm se acoplan mediante interacciones de intercambio que incluyen los límites de grano
que están en estado amorfo. Debido a los ajustes de la composición química luego de la
nanocristalización, las fases amorfas en los límites de grano tienen composición
diferente a las originales. La mayoría de aleaciones amorfas antes de la cristalización
tienen boro y silicio como los formadores del vidrio y la solubilidad del boro es muy
baja en las fases basadas en el Fe bcc. Esto conduce a límites de grano amorfos con
grandes cantidades de B, lo que da como resultado mayor cristalización y temperaturas
Curie más elevadas. Estas características ayudan a mejorar las estabilidades
termomagnéticas de los materiales nanocristalizados.27, 28
4.3. Aleaciones con propiedades eléctricas especiales
Las principales propiedades eléctricas son la conductividad y su opuesto la resistencia,
la permeabilidad dieléctrica y la rigidez dieléctrica. De ellas la fundamental es la
resistencia eléctrica. Los que tienen baja esta propiedad son los conductores, formados,
fundamentalmente, por los metales puros y las aleaciones. La composición química y el
tratamiento mecánico determinan esta propiedad. Además, en todos los metales la
resistencia eléctrica aumenta con la temperatura.
4.3.1. Aleaciones conductoras
Entre los metales conductores los más usados han sido el cobre, el aluminio, el hierro, el
acero, los metales nobles, el tungsteno, el plomo y el mercurio, por diversas razones que
no es del caso analizar acá.29
Como conductoras, las aleaciones más comerciales son las de cobre por sus excelentes
propiedades, facilidad de fabricación y numerosas aplicaciones. Se usan normalmente
por sus buenas conductividades térmica y eléctrica, resistencia a la corrosión y
fabricabilidad.
Diferentes aleaciones de alta conductividad se han desarrollado y se han investigado a
fondo las de cobre con Cr y con Zr.30 También se han desarrollado aleaciones para
propósitos especiales con combinaciones de alta resistencia mecánica, alta
conductividad y resistencia al ablandamiento. En la mayoría de los casos se requieren
adiciones de un tercer elemento para alcanzar las propiedades óptimas en esas
aleaciones binarias, pero la composición y el procesamiento son secretos industriales o
están protegidos por patentes.
Para la soldadura por resistencia eléctrica y otras aplicaciones industriales –como los
marcos guías, conectores, resortes conductores y contactos deslizantes– donde los
electrodos requieren buena conductividad eléctrica y buena resistencia mecánica, las
aleaciones usadas para estos propósitos son las mostradas en la figura 4.10, donde se
observa que las aleaciones de Cu con Zr dan muy buena conducción pero su resistencia
mecánica no es la mejor, por ello es un área en la que se trabaja activamente para lograr
buena conductividad combinada con buena resistencia última.

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Figura 4.10. Resistencia mecánica vs conductividad para algunas aleaciones
comerciales de cobre.31
Como se ve en la figura 4.10 los solutos disueltos en el cobre puro reducen la
conductividad eléctrica (y la térmica), el endurecimiento por solución sólida no es
adecuado para aumentar la resistencia mecánica, que debe lograse por precipitación o
dispersión con la introducción de una subestructura de dislocaciones con tratamientos
termomecánicos.
La interrelación entre procesamiento, estructura y propiedades se muestra en la figura
4.11, donde se observan en el centro del diagrama los subsistemas microestructurales
claves, que controlan las propiedades deseadas y el desempeño, los cuales dictaminan
las subetapas de procesamiento mostradas a la izquierda.
Figura 4.11. Diagrama de flujo para los sistemas de aleación de alta resistencia
mecánica y buena conductividad.31
Este enfoque sistemático para el de diseño de aleaciones, que se irán discutiendo, son
los que se emplean en el caso de los materiales especiales que se buscan en este caso.

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La teoría de la resistividad de metales y aleaciones, aún de los que tienen
microestructuras complejas, está bien establecida.32 En las aleaciones desordenadas, se
necesita considerar las correlaciones atómicas y sus desplazamientos atómicos estáticos,
vacancias e intersticiales, y desplazamientos estáticos y dispersión de fonones.
La regla de Nordheim33 relaciona la resistividad eléctrica, ρ, con la concentración en
una solución sólida desordenada.
ρ = ρ0 + K1x(1- x) + K2x (4.3)
donde ρ0 es la resistividad eléctrica del solvente puro, x es la concentración del soluto y
K1 y K2 son dos constantes. Normalmente, K1 >> K2 y Δρ = ρ – ρ0 es casi proporcional
a x, figura 4.12. Las desviaciones de este comportamiento ocurren cuando el soluto y el
solvente tienen valencias muy diferentes. La regla de Linde dice que cuando los
elementos sustitucionales que no sean de transición, se añaden al cobre, la resistividad
aumenta con (ΔZ)2, donde ΔZ es la diferencia en la valencia entre el soluto y el
solvente.
Figura 4.12. Efecto de los elementos de aleación sobre la resistividad del cobre.34, 35
Ese comportamiento se explica por la diferencia en el potencial que actúa sobre los
electrones de conducción en la aleación y en la matriz pura; esto es, el aumento en la
resistividad es muy pequeño cuando el soluto y el solvente tienen la misma valencia,
porque los electrones de conducción son atraídos o repelidos suavemente por la
impureza. En el cobre ΔZ = 1, 2, 3 y 4, para Zn, Ga, Ge y As, respectivamente. Así la
diferencia de valencias debe ser lo más pequeña posible. Cuando se añaden metales de
transición al cobre resulta un rápido aumento de la resistividad, como ocurre con el
hierro, debido a la resonancia con lavanda que es poco conductora. Por la misma razón
el Cd, Zn, Co, Ni y Ag parecen ser buenas escogencias en vista de sus efectos sobre la
resistividad y porque sus solubilidad en el cobre es elevada.
Considerando lo brevemente expuesto se han explorado distintas aleaciones, como la
Cu-07Ni-0.14P31, las Cu – Ni – Si36, las Cu – Ag37, las Cu – Zr38, las Cu – (Fe, Co, Ni)-
P39 y Cu – Fe - Cr40 procesadas de distintas maneras en unos desarrollos que todavía
estén en camino

13
En cuanto a las aleaciones de aluminio aunque menos conductoras que las de cobre, por
su menor peso son atractivas en todo tipo de vehículos, terrestres, marinos y
aeroespaciales. El aluminio puro recocido tiene una conductividad de 64% IACS,
resistencia de unos 100 MPa y alargamientos del 20%. En la figura 4.13 se ve el efecto
de los aleantes sobre la conductividad del aluminio. Ni, Zn, Fe, Ag, Cu, Si, Mg , Zr etc.,
se pueden añadir en pequeñas cantidades para que no afecten mucho la conductividad.
Cuando se añade hierro las propiedades del aluminio varían como se ve en la figura
4.13. La figura 4.13 (a) muestra la manera como varía la resistencia mecánica con la
temperatura de tratamiento y la 4.13 (b) la variación de la conductividad eléctrica. La
figura 4.14 muestra la variación de la resistencia con el contenido de hierro, se ve que,
tras la recristalización la resistencia y el alargamiento son elevados comparados con el
aluminio puro.
Figura 4.13. Efecto de los aleantes sobre la conductividad del aluminio.
Figura 4.13. Influjo de la temperatura de tratamiento
térmico sobre las propiedades de un alambre Al –
Fe (0.25 mm ϕ)41

14
Figura 4.14. Influjo de la concentración de hierro sobre las propiedades del alambre Al
– Fe.41
A la aleación Al – Fe se añadió luego Zr hasta 005% (máximo posible en solución
sólida) con el mismo propósito y el de aumentar la resistencia térmica, en la figura 4.15
se ven las propiedades obtenidas con esta aleación y en la 4.16 se comparan las
propiedades. Se ve que es una aleación excelente y que este es un camino muy
promisorio.41
Figura 4.15. Influencia de la temperatura de
tratamiento térmico sobre las propiedades del Al y
sus aleaciones con Fe y con Fe – Zr.41
Se ve pues, que el tema de las aleaciones con buena conductividad térmica y buenas
propiedades mecánicas hay mucho camino por recorrer.
4.3.2. Aleaciones semiconductoras
Las aleaciones semiconductoras más comunes son las binarias entre los elementos del
grupo IV de la tabla periódica. A1-xBx (como Si1-xGex) y las aleaciones seudobinarias de
la forma A1-xBxC (ejemplo, Ga1-xInxAs) y CA1-xBx (v.g., GaP1-xAsx), donde x es el
porcentaje de concentración. La forma CA1-xBx indica una aleación con un anión
sustituido que se puede considerar como el resultado de reemplazar una fracción x de
átomos A en el compuesto CA por B átomos de la misma columna en la tabla
periódica: ejemplos son GaP1-xAsx , ZnS1-xSex y CuCl1-xBrx. De manera similar A1-xBxC

15
es una aleación donde se ha sustituido el catión con los átomos de A y B distribuidos en
la subred del catión, como G1-xInxAs y Hg1-xCdxTe.
Figura 4.16. Propiedades mecánicas del Al y las aleaciones Al – Fe y Al – Fe – Zr, se
que esta última tiene buenas propiedades.41
Si sólo se miran las características estructurales gruesas, esas aleaciones son similares a
sus cristales constituyentes. Por ejemplo, el patrón de rayos X de una aleación
seudobinaria homogénea es similar a los de los compuestos puros, excepto en que la
intensidad de la aleación puede tener una amplitud mayor y el parámetro de red se
ajusta a la ley de Vegard.
a = (1- x)aAC + xaBC (4.4)
como las propiedades de muchas aleaciones seudobinarias también se aproximan a los
valores promedio, se ha usado la aproximación del cristal virtual, ACV, para
describirlas.
𝑑( 𝑥) = (1 − 𝑥) 𝑑 𝐴𝐶
0
+ 𝑥𝑑 𝐵𝑐
0
(4.5)
donde 𝑑𝐴𝐶
0
y 𝑑 𝐵𝑐
0
son las distancias de enlace en los compuestos constituyentes AC y BC
La técnica principal para determinar la estructura de estas aleaciones es la EXAFS
(Extended x- ray-absortion fine-structure) que es capaz de medir cada distancia
interatómica en el material; la figura 4.16 muestra una comparación de estas medidas
para dos aleaciones y la ACV, que como se observa, se acomoda a ley de Vegard.42 , 43
Algunas de estas aleaciones son ordenadas y tienen estructuras típicas de compuestos
ordenados, como es el caso de GAInAs2 y HagZnTe2, que tienen estructuras como la de
la calcopirita, figura 4.17.
En resumen la difracción de rayos X está de acuerdo con la ACV, pero la EXAFS
muestra desviaciones significativas respecto a los valores de los cristales virtuales y las
estructuras más refinadas apenas se están determinando para este tipo de aleaciones.44

16
Figura 4.16. Longitud de los enlaces entre primeros vecinos para Ga – As e In – As
como función de la concentración de la aleación. La línea del medio es la ACV,
calculada con la expresión (4.5).43
4.3.2. Aleaciones superconductoras
Hay treinta metales que en estado puro exhiben resistividad cero a bajas temperaturas y
tienen la propiedad de excluir los campos magnéticos del interior del superconductor
(efecto Meissner), estos son los superconductores Tipo I. La superconductividad existe
sólo por debajo de sus temperaturas críticas y por debajo de una intensidad crítica del
campo magnético.
A partir de 1930, con las aleaciones Pb – Bi, se descubrieron muchas otras que exhibían
superconductividad y fueron llamadas superconductores tipo II. Tienen campos críticos
más elevados y por tanto pueden soportar mayores densidades de corriente en el estado
superconductor.
Las variaciones de las cerámicas de óxido de barrio y cobre que son superconductoras a
temperaturas mucho más elevadas forman la clase de los superconductores de alta
temperatura.
Los superconductores Tipo II –conocidos como superconductores duros– difieren de
los tipo I en que su transición del estado normal al superconductor es gradual a través de
una región de estado mezclado. Como permiten alguna penetración del campo
magnético en su superficie, esto crea un estado intermedio de tiras superconductoras y
vórtices de flujo en la red, algunos ejemplos de estos materiales son los siguientes:
(Tl5Pb2)Ba2Mg2Cu9O17+ (Tc = 28o C), (Tl5Pb2)Ba2MgCu10O17+ (Tc = 28oC),
(Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33 (Tc = 138 oK), HgBa2CuO4+ (Tc = 96º K). 45
4.3.2. Aleaciones para resistencias eléctricas

17
La resistividad de un metal proviene de la dispersión de los electrones. La vibración de
la red dispersa los electrones porque ella distorsiona la red. Las imperfecciones como
átomos de impureza, intersticiales y los límites de grano dispersan los electrones de
conducción porque en su vecindad el potencial electrostático difiere de la del cristal
perfecto.
La regla empírica de Mathiessen establece que la resistividad total de un metal es la
suma de debida a la agitación térmica de los iones metálicos de la red y la resistividad
debida a la presencia de imperfecciones en el cristal. Esta regla es la base para entender
el desarrollo de la resistividad en las aleaciones.
En ciertos aparatos se usan resistencias exactas, y también se requieren materiales
especiales para controles de arranque y reóstatos regulables, elementos de calefacción y
resistencias para horno eléctricos.
La propiedad común de estas aleaciones es su alta resistencia específica (0.42 a 1.5
ohm.mm2/m), por lo que se denominan aleaciones de alta resistencia específica.
Las resistencias de precisión deben tener muy pequeño coeficiente térmico de
resistencia específica, α, y pequeña fuerza termoelectromotriz (ftem), para que en
contacto con el cobre, tengan una resistencia de contacto constante en magnitud y
tiempo.
Los materiales del segundo grupo deben tener bajo coeficiente térmico de resistividad
específica, comportamiento especial frente a la dilatación y no deben ser higroscópicos.
Los materiales para resistencias de precisión más conocidos son el constantán que es
una aleación, generalmente con 55% de cobre y un 45% de níquel (Cu55Ni45), que se
caracteriza por tener una resistencia eléctrica constante en un amplio rango de
temperaturas Otra es el manganín, que tiene cobre, níquel y manganeso. La manganina
más común tiene 86% Cu, 12% Mn y 2% Ni.
Las aleaciones que resisten alta temperatura se fabrican con base en Fe, Ni y Cr y en
algunos casos, aluminio. Una característica importante de estas aleaciones Para
resistencias eléctricas es su resistencia al calor y la oxidación, que se debe a la
formación de una superficie oxidada que retarda la reacción con el oxígeno en el aire
4.4. Propiedades térmicas
Son muchas las propiedades térmicas de una aleación, por lo que acá sólo se
considerarán las más fundamentales, como son la expansividad y la conductividad.
4.4.1. Expansión térmica
La expansión térmica es una propiedad fundamental y se encuentran tablas precisas para
los coeficientes lineales y expresiones empíricas en función de la temperatura.
Se sabe que el coeficiente volumétrico de expansión (αV) térmica se puede expresar
como:

18
𝛼 𝑉 =
1
𝑉
(
𝜕𝑉
𝜕𝑇
)
𝑃
(4.4)
La teoría de la expansión térmica está bien definida y se puede determinar calculando
el término anarmónico de la vibración de la red.46, 47Este enfoque tradicional ha sido
cuestionado por un modelo clásico que da buenas correlaciones, basado en un potencial
tipo Lennard-Jones y el valor medio de la distancia interatómica R. 48, 49
[ 𝛼(𝑇)] 𝑃=0 =
1
𝑅0
[
𝑑𝑅(𝑇)
𝑑𝑇
]
𝑃=0
(4.5)
A partir del cual se encuentra una correlación lineal entre el coeficiente volumétrico de
expansión térmica y la capacidad calórica molar a presión constante, esto se ha probado
para metales, figura 4.16, y también para aleaciones. Esto permite calcular, e incluso
predecir tal coeficiente a partir de experimentos termodinámicos.50
Figura 4.16. Correlación entre el coeficiente de expansión térmica y la capacidad
calórica en función de la temperatura.50
A partir de mediciones experimentales y correlaciones se pueden también deducir y
predecir los coeficientes de expansión térmica de las aleaciones pues en un grupo dado
hay poca variación sistemática de α. Esto se ha probado para grupos de aleaciones como
en el caso de las aleaciones de hierro y de níquel, agrupadas en 1. Austeníticas de hierro
no magnéticas, 2. No magnéticas de níquel. 3. Hierros y aceros ferríticos y
martensíticos. 4. Aceros dúplex con austenita y ferrita delta, 5. Aleaciones de Fe-Ni y
Fe-Ni-Co ferromagnéticas, cuyos resultados se ven en la figura 4.17, donde se observa
la relación.51
En la figura 4.17 también se ve que se pueden obtener aleaciones de hierro y níquel con
coeficientes que varían poco con la temperatura, es el caso del Invar, que es una
aleación de hierro y níquel (64% de hierro y 36% de Ni) y un poco de carbono y cromo.
El nombre es la contracción de la palabra invariable, en alusión directa a su
invariabilidad ante las condiciones térmicas por su muy bajo coeficiente de expansión

19
térmica.52 Otra es el Elinvar, que tiene la propiedad de que su módulo de elasticidad
cambia poco con la temperatura y está compuesta por un 56% de hierro, 36% de níquel,
y 8% de cromo.
Figura 4.17. Variación del coeficiente promedio de expansión térmica con la
temperatura para grupos de aleaciones.51
Otras aleaciones con bajo coeficiente de expansión, que se están desarrollando, son las
Co-Ni-Cr-Al- Y, en general MCrAlY, donde M es Ni, Co o una mezcla de Co – Ni,
tabla 4.1, como se ve en el diagrama de la figura 4.18; se ha encontrado que
composiciones como la LN -33, que tiene 69%Ni – 2º%Cr - 11%Al y 0.5% Y dan un
coeficiente muy bajo de expansión térmica53, el cual, en general se debe a la fase Cr –
α.54
Tabla 4.1. Aleaciones MCrAlY de bajo coeficiente de expansión térmica.

20
Figura 4.18. Ubicación de las aleaciones MCrAlY en el diagrama de fases.
También se han desarrollado materiales con coeficiente de expansión negativo
añadiendo nanotubos, grafeno o compuestos como NbZr(PO4)3, ZrW2O8, ZrV2O7,
Sc2(WO4)3, que tienen coeficiente negativo, a aleaciones como las Ni – Fe.55
4.4.2. Conductividad térmica
La conductividad térmica relaciona la pérdida de calor con el cambio de temperatura y
depende del material.
Los metales y aleaciones, que son buenos conductores de la electricidad, también son
buenos conductores del calor, como lo establece la ley de Wiedemann – Franz la cual
dice que la relación entre la contribución electrónica conductividad térmica, κ, y la
conductividad eléctrica, σ, es proporcional a la temperatura:
κ
𝜎
= 𝐿𝑇 (4.4)
Teóricamente
𝐿 =
κ
𝜎𝑇
=
𝜋2
3
(
𝑘 𝐵
𝑒
)
2
= 2.44 ∗ 10−8
𝑊𝛺𝐾−2
Sin embargo, diversos autores, como Rosenberg56, han señalado que la ley de
Wiedemann–Franz es generalmente válida para temperaturas muy elevadas o muy
bajas, pero no para las intermedias.

21
De todos modos, con base en dicha ley y la regla de Mathiessen, se ha trabajado en las
propiedades térmicas de las aleaciones.57
Lo cierto es que la conductividad térmica de una aleación está más determinada por la
estructura de los enlaces que por la conductividad que cada elemento exhibe solo.
En la figura 4.19 se muestra la relación entre la expansión y la conductividad térmica
para varios materiales y se ve que los metales y aleaciones, exceptuando el diamante,
tiene las más elevadas conductividades y expansividades medianas.
Figura 4.19 Coeficiente de expansión térmica contra la conductividad térmica, los
contornos son la relación entre la conductividad y la difusividad.56
4.5. Propiedades ópticas
Las propiedades ópticas dependen de la configuración electrónica y por tanto del tipo de
enlace; en el enlace metálico, para todas las longitudes de onda desde las muy grandes
de radio, hasta las medianas del ultravioleta, los metales absorben y reflejan fuertemente
la radiación incidente. En la figura 4.20 se ilustra esto para el oro, la plata y el aluminio.
Para las longitudes de onda más cortas hay transmisión parcial del haz incidente.
La característica electrónica de los metales que más influyen sobre las propiedades
ópticas es la fácil disponibilidad de niveles de energía vacíos inmediatamente
adyacentes al nivel de Fermi. Los electrones de la banda de conducción absorben
fácilmente los fotones incidentes en un amplio intervalo de longitudes de onda. Hay dos
posibilidades para el electrón una vez absorbe energía y se mueve a niveles de energía

22
más elevados. Primero, si el electrón excitado sufre una colisión con un ión de la red,
entonces la energía extra se disipa en forma de vibraciones de la red (fotones), y se dice
que la radiación incidente fue absorbida. En él caso en que la probabilidad de colisión
con un ión es muy pequeña, el electrón emitirá un fotón cuando cae desde nuevo al
nivel de baja energía, y el resultado es un haz fuertemente reflejado.
Figura 4.20. Espectro de reflectancia del aluminio, la plata y el oro.
El color característico de algunos metales se debe a la absorción preferencia de una
porción del espectro visible. Por ejemplo en el oro es mayor la absorción de la porción
verde del espectro visible (mayor reflexión de la luz roja y amarilla), dando al oro su
color característico. Por otro lado, la plata y el aluminio reflejan fuertemente todas las
porciones del espectro visible, dando el color blanco.
Por las razones anteriores se entiende que las propiedades ópticas son muy sensibles a la
aleación, en todos los sentidos y por ser un fenómeno electrónico está suficientemente
entendido como para modelar y desarrollar aleaciones con propiedades ópticas
diferentes 57-61, desde las que imitan el color del oro, o lo varían, –conocidas desde la
Antigüedad– hasta las necesarias para las más modernas aplicaciones como la
plasmónica.
El color del oro puro es amarillo brillante, pero por medio de aleaciones se pueden
obtener diferentes colores de oro según los aleantes y sus cantidades, entre los más
habituales se pueden destacar los siguientes:
- el rojo con predominio del cobre
- el amarillo con aleación de cobre y plata
- el verde con aleación de plata /o cadmio
- el blanco con aleación de (níquel), platino, paladio, etc.
Pequeños contenidos de impurezas ya son suficientes para originar cambios perceptibles
a simple vista. Además de las aleaciones binarias las aleaciones ternarias principales
son: Au-Cu-Al, Au-Cu-Zn y Au-Ag-Cu. Sin embargo, las aleaciones ternarias más
comunes son las de oro-plata-cobre, que se conocen desde la época de la alquimia y por
mucho tiempo la ley sólo permitía alear con oro el cobre y la plata. Por ello las

23
soldaduras también eran de este tipo de aleación. En la figura 4.21 se ve el diagrama
ternario de este sistema a temperatura ambiente y los colores de las distintas aleaciones.
Figura 4.21. Carta de colores de las aleaciones oro-plata-cobre, para aplicaciones en
joyería y dentistería.58
El oro de 22 quilates contiene 916.6666 de fino, que se redondea a 917 y el color de
depende de la proporción de aleantes, como se ve en la tabla 4.2.
Tabla 4.2 Colores del oro de 22 quilates___________________________
Oro Plata Cobre Color
917 0 83 Rojo anaranjado
917 20 63 Amarillo intenso
917 42 41 Amarillo oro
917 62 21 Amarillo claro
917 83 0 Amarillo verdoso
Gracias a las propiedades del cobre y de la plata, el oro de 18 quilates, o de 750
milésimas, ofrece una gama de colores que van desde el verde al rojo pasando por una
serie de amarillos. 59
Según la figura 4.21, si el oro de 18 sólo tiene plata, el color será verde y si sólo
contiene cobre será rojo. Entre estos dos extremos se pueden obtener muchas
tonalidades de acuerdo con la proporción de cobre y plata. El oro rojo es el más duro y
permite un pulido con mejor brillo, aunque éste no se conserva por la oxidación del
cobre. Esto va cambiando al añadir plata, hasta llegar al oro verde que es más difícil de
pulir, porque es más blando, pero es más resistente a la oxidación. La tabla 4.3 da
ejemplo de colores.

24
Tabla 4.3. Colores del oro de 18 quilates.60
ORO VERDE
Oro Plata Cobre Color
750 250 0 Verde amarillo, pálido
750 232 18 Verde amarillento, pálido
750 214 36 Verde amarillento
750 190 60 Amarillo verdoso,claro
750 167 83 Amarillo verdoso
ORO AMARILLO
750 160 90 Amarillo claro, S 2N
750 142 108 Amarillo
750 125 125 Amarillo. S 3N
ORO ROSADO
750 90 160 Amarillo anaranjado, S 4N
750 87 163 Amar. anaranjado, intenso
750 84 166 Amarillo rojizo
750 73 177 Amarillo rojizo
ORO ROJO
750 45 205 Rojo anaranjado, S 5N
750 17 233 Rojo anaranjado, intenso
Las aleaciones de oro con otros tres elementos son muy conocidas, como las de Au-
Ag.Cu-Al, Au-Ag-Cu-Cd, Au-Ag-Cu-Sn, Au-Ag-Cu-Fe, Au-Ag-Cu-Mny Au-Ag-Cu-
Zn. Las de oro-plata-cobre- níquel ya no se permiten. En la tabla 4.4 se indican algunas
aleaciones cuartenarias con aluminio. El cadmio es soluble en las aleaciones Au-Ag-Cu,
en las que puede llegar hasta el 32% si ha plata suficiente. En la tabla 4.5 se indican
algunas aleaciones cuartenarias con cadmio.
Tabla 4.4. Algunas aleaciones oro-plata-cobre-aluminio.60
Oro Plata Cobre Aluminio Color
585 139 276 0 Rosado
585 134 271 10 Amarillo intenso
585 130 267 18 Amarillo oro
585 127 263 25 Amarillo oro claro
585 277 138 0 Amarillo verdoso pálido
585 272 133 10 Amarillo verdoso claro
333 166 501 0 Amarillo
333 156 491 20 Amarillo claro
333 95 572 0 Rosado
250 250 500 0 Amarillo mate
250 150 600 0 Amarillo rosado

25
Tabla 4.5. Algunas aleaciones oro-plata-cobre- cadmio.60
Oro Plata Cobre Cadmio Color
585 138 277 0 Amarillo naranja
585 125 265 25 Amarillo
585 88 227 100 Amarillo pálido
585 256 119 40 Amarillo verdoso
585 241 104 70 Verdoso pálido
585 226 89 100 Verde pálido
El estaño se puede introducir, de manera controlada, a las aleaciones de oro de color
pues acentúan las propiedades del oro, en la tabla 4.6 se indican algunas de estas
aleaciones.
Tabla 4.6. Algunas aleaciones oro-plata- cobre- estaño.60
Oro Plata Cobre Estaño Color
585 139 276 0 Rosado
585 123 259 33 Amarillo limón
333 95 572 0 Rosado
250 250 500 0 Amarillo mate
250 150 600 0 Amarillo rosado

26
El manganeso tiene un efecto similar al hierro, añadido como cupromanganeso endurece
la aleación y da colores amarillo claro. En la tabla 4.7 se indican algunas de estas
aleaciones.
Tabla 4.7. Algunas aleaciones oro-plata-cobre-manganeso.60
Oro Plata Cobre Manganeso Color
585 139 276 0 Anaranjado
585 271 134 10 Verdoso
585 269 131 15 Verdoso
El hierro también se alea fácilmente con el oro y aumenta su dureza. La aleación con
750 milésimas de oro y 250 de hierro se conoce como oro gris u oro azul. Una aleación
con 585 de oro, 134 de plata, 271 de cobre y 10 de hierro tiene un color amarillo claro y
buenas características.
El zinc se puede incorporar a las aleaciones oro-plata-cobre aunque presenta problemas
por su bajo punto de fusión. Una manera de agregarlo es con latón, que no tenga plomo.
En la tabla 4.8 se indican algunas aleaciones cuartenarias con zinc.
Tabla 4.8. Algunas aleaciones oro-plata-cobre-zinc.60
Oro Plata Cobre Zinc Color
585 134 271 10 Amarillo naranja
585 271 134 10 Amarillo pálido verdoso
585 256 119 40 Verdoso
Con el fin de reemplazar el costoso platino en el oro blanco se han utilizado muchos
metales, especialmente el níquel, pero debido a los efectos deletéreos de éste se han
impulsado las aleaciones de oro blanco, formadas exclusivamente por metales nobles.

27
El concepto del oro centelleante explota el cambio en la estructura cristalina de ciertas
aleaciones de oro para inducir el centelleo característico61
Curiosamente fueron los compuestos intermetálicos de oro los permitieron los primeros
estudios de dos fenómenos muy importantes en metalurgia: el ordenamiento de las
soluciones y el efecto de memoria de forma en ciertas aleaciones que experimentan una
transformación martensítica. Este último efecto permite que un metal deformado a una
temperatura dada recupere su forma a otra y se ha observado en el compuesto AuCu.
El oro centelleante (spangold) es el nombre dado a una familia de aleaciones formuladas
para que experimenten una transformación como la indicada y se logra calentándolas
para efectuar el cambio de fase, que aparece en la superficie como una miríada de
facetas que modifican sus propiedades ópticas. En condiciones adecuadas, esto es
suficiente para obtener la iridiscencia brillante que caracteriza al oro centelleante.
Las aleaciones se centran alrededor de oro de 18 quilates, un ejemplo es una con 18%
de oro y el resto cobre y aluminio, que funde entre 715 y 770º C, pero en general, el
centelleo de cada aleación es característico y los colores se pueden variar con los
aleantes desde el amarillo hasta el púrpura, pasando por el rosado. El aluminio aumenta
el componente rojo. Desde hace unos diez años estas aleaciones se está usando en
joyería y han sido un completo éxito.62
En otro orden de ideas, los plasmones son ondas de densidad de electrones, que se crean
cuando la luz impacta la superficie de un metal bajo circunstancias muy precisas. Esas
ondas de densidad se generan por frecuencias ópticas y son muy pequeñas y rápidas;
teóricamente pueden codificar mucha información, más de lo que es posible con la
electrónica convencional, lo que permite la transmisión rápida por medio de alambres
muy delgados. La plasmónica se llama luz en un alambre. Varios metales y aleaciones
se han utilizado para estos propósitos; inicialmente se usaron los metales nobles, luego
los alcalinos –por el carácter de los electrones libres–, pero por inercia los primeros
siguen siendo los preferidos. Sin embargo, como el número de metales con electrones
libres externos es limitado, se buscan alternativas con metales dopados, aleaciones y
compuestos intermetálicos.
|
Entre las aleaciones usadas en plasmónica están las de los metales nobles como las Au-
Cu, Au-Ag y Ag-Cu. Además se han ensayado aleaciones C-Al, Cu-Ga, Cu-ZA, Cu-Sn,
Cu-Si, Cu-Fe y Cu-Ge. Las más promisorias son la Ag-In.63-79
También se han ensayado las aleaciones de metales de transición de W, Ta, Re e Ir en
varias composiciones.80, 81.
La plasmónica es apenas una parte de las aplicaciones fotónicas, para las cuales, en
general, también se requieren aleaciones. La fotónica es el vínculo entre la óptica y la
electrónica, pues la vieja óptica se revitalizó con tres desarrollos fundamentales: la
invención del laser, la fabricación de fibras ópticas de baja pérdida y la introducción de
dispositivos ópticos semiconductores. Como resultado de ello han surgido disciplinas
como la electro-óptica, la optoelectrónica, la electrónica cuántica y la tecnología de
ondas de luz, entre otras.82

28
La electrónica involucra el control de flujo de los electrones, la fotónica involucra el
control de fotones. Y debe recordarse que los electrones controlan el flujo de fotones y
los fotones controlan el flujo de electrones. Así el término fotónica refleja la
importancia del fotón de luz en la descripción de la operación de muchos dispositivos
ópticos, para todos los cuales se precisan materiales como las aleaciones.83- 93
Las aleaciones para estos propósitos son específicas y van desde las de SiGe y otras
para semiconductores y emisores como las GaN y AlN y las de erbio con
AlGaN/GaN:Er/AlGaN. También se usan los cristales fotónicos, materiales con una
modulación periódica de la constante dieléctrica tienen muchas aplicaciones
optoelectrónicas y uno de los materiales usados para este propósito son las aleaciones de
Fe-Ni.94- 101 Pero una amplia revisión de las aleaciones para estas aplicaciones escapa al
alcance de este capítulo, para lo cual el lector se remite a las referencias.
4.6. Propiedades acústicas
La velocidad con que se transmite el sonido depende, principalmente, de la elasticidad
del medio, es decir, de su capacidad para recuperar su forma inicial. Los metales y
aleaciones son materiales elásticos y por tanto buenos trasmisores del sonido, por ello
las propiedades acústicas de las aleaciones son importantes en varios sentidos: para
generar sonido, como es el caso de los bronces y latones que han sido los materiales
para instrumentos musicales desde la Antigüedad; para atenuar sonidos, como se está
logrando con los metales en forma de espumas o de células, y par otras aplicaciones,
como se discute a continuación.
Las aleaciones para instrumentos musicales deben tener resistencia y dureza adecuadas,
propiedades elásticas específicas y poca capacidad de atenuación, el bronce con 20 -
22% Sn tiene esas cualidades, además se ha encontrado que la adición de silicio (entre
2.5 y 7.5%) mejora las propiedades mecánicas sin afectar las acústicas.102
Por otro lado, el acero, el aluminio y en general las aleaciones estructurales tienen muy
pocas pérdidas internas, es decir, su habilidad para convertir energía vibracional en
térmica es pobre. Esto significa que las vibraciones de resonancia que pueden ocurrir
cuando las estructuras están sometidas a vibraciones y ruido aéreo, son de elevada
amplitud, y entonces emitirán un ruido considerable, es por eso que los estudios para
mejorar eso están a la orden del día. Por ejemplo, la figura 4.21 muestra como varía la
capacidad de atenuación del acero con el contenido de Ni y de C y en la figura 4.22 para
el contenido de silicio y de carbono.98 Es información es extremadamente útil para
diseñar aceros con capacidad de atenuación y resistencia adecuadas.

29
Figura 4.21. Nivel de sonido en el acero, en función del contenido de níquel y
carbono.102
Figura 4.22. Nivel de sonido en el acero, en función del contenido de silicio y
carbono.103
Hay otras aplicaciones donde las propiedades acústicas se usan, sobre todo, para
detectar cambios en las estructuras de las aleaciones y por tanto en las propiedades. Por
ejemplo, las aleaciones de titanio que se usan en aparatos aeroespaciales por sus
excelentes propiedades mecánicas y químicas, pueden deteriorarse con el uso en esas
condiciones extremas y es importante poder detectar los cambios microestructurales y
por tanto de las propiedades, mediante el uso de ensayos como el ultrasonido, para lo
cual es necesario conocer la manera como estos materiales responden a la velocidad y al
ultrasonido. En las figuras 4.23 y 4.24 se ve como varían con la temperatura el
coeficiente de atenuación y la velocidad del sonido en una aleación de titanio con 6-7%
Al, 1.5-2.5% Zr, 1 – 2.5% V, 1-25 Mo, información relevante para predecir el
comportamiento de las estructuras hechas con este material.103

30
Figura 4.23. Variación con la temperatura del coeficiente de atenuación de las ondas
ultrasónicas, α, en una aleación de titanio: 1. Calentamiento de la muestra deformada; 2.
Calentamiento, y 3 enfriamiento de la muestra recocida.103
Figura 4.24. Variación con la temperatura de la velocidad del sonido, Cd, en una
aleación de titanio: 1. Calentamiento de la muestra deformada; 2. Calentamiento, y 3
enfriamiento de la muestra recocida.103
De la misma manera las propiedades acústicas se han utilizado para estudiar
transformaciones de fase y la manera como varían con otras interacciones mecánicas y
electromagnéticas.104 - 108 Además, en las aleaciones ferromagnéticas se puede utilizar la
técnica del ruido de Barkhausen para estudiar los cambios estructurales.109
4.7. Propiedades gravimétricas
Entre las propiedades gravimétricas la que más se ha usado en relación las aleaciones ha
sido la densidad o el peso específico, que se ha utilizado, por ejemplo para separar las
aleaciones de oro de otros metales.

31
Por la relación resistencia/densidad han sido utilizadas extensamente las aleaciones de
aluminio, las de magnesio y las de titanio. Pero siempre en la búsqueda de mejorar esa
relación la investigación actual se centra en las aleaciones con litio y de litio.
Las aleaciones aluminio – litio se han investigado para reducir peso en los vehículos
terrestres u aeroespaciales, aunque también se estudiado su uso en aplicaciones
criogénicas. Su mayor desarrollo se dio en los decenios de 1970 y 1980. Las aleaciones
comerciales Al – Li se empezaron a producir añadiendo litio a las aleaciones Al – Cu,
Al – Cu - Mg y Al – Mg. Esas aleaciones fueron escogidas para superponer sus
características de endurecimiento por precipitación con el endurecimiento debido a los
precipitados con contenido de litio.
El contenido de litio de esta aleaciones no puede exceder el límite de solubilidad de
4.2% de Li en Al, esta solubilidad se debe a que la estructura del litio es bcc y el Al fcc,
por eso en la práctica se usa de 2 a 3% de Li.
El litio es el metal más ligero, con una densidad de 0.534g/cm3, así, cada 1% de litio
reduce la densidad de una aleación Al – Li en un 3% y aumenta su rigidez alrededor de
5%.
Como se indicó la resistencia de estas aleaciones se obtiene por endurecimiento por
precipitación y muchas de ellas alcanzan el máximo de resistencia sólo si se deforman
en frío antes de la precipitación o el envejecimiento. Además de usan elementos de
anclaje como el Zr para controlar la microestructura del grano durante el tratamiento
térmico.
La composición típica de las aleaciones de nueva generación producidas por Alcoa son:
2099: 2.4 – 3% Cu, 1.4 – 1.8% Li, 0.4 – 1.0% Zn, 0.1 – 05%Mg, 0.1 – 0.5% Mn, 0.05 –
0.12% Zr, 0.07% max Fe y 0.05% Si.
2199: 2.3 – 2.9% Cu, 1.6 – 2.0% Li, 0.2 – 0.9% Zn, 0.05 – 0.4%Mg, 0.1 – 0.5% Mn,
0.05 – 0.12% Zr, 0.07% max Fe y 0.05% Si.
La nueva generación de estas aleaciones tiene excelente resistencia a la corrosión, buena
resistencia a la fatiga, una buena combinación de resistencia mecánica y tenacidad así
como buena fabricabilidad.110
Las aleaciones magnesio – litio son prometedoras porque el magnesio puro es 35% más
liviano que el aluminio y la adición de un 12% de Li produce una reducción adicional
de 25% en la densidad, comparada con otras aleaciones de magnesio. Las adiciones de
litio también cambian la estructura hexagonal del magnesio a una estructura cúbica de
cuerpo centrado, bcc, lo que mejora su formabilidad a temperatura ambiente.
Sin embargo, las aleaciones Mg – Li tienen resistencias mecánica y a la corrosión
relativamente bajas por ello se han hecho aleaciones con Zn, Al, Cd y Ag para lograr la
precipitación de una fase metaestable coherente de composición MgLi2X, donde X es
elemento ternario de interés. Posteriormente se han utilizado como aleantes Ca y Be,
logrando mejoras sustanciales.111, 112, 113 Este es un campo en el que se sigue trabajando
activamente, pero, sin duda son las aleaciones de litio las que deben ponerse a punto.

32
Referencias
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