TEMA 3: DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO 1.- Aleaciones

Departamento de Tecnología.
IES Nuestra Señora de la Almudena
Mª Jesús Saiz
TEMA 3: DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
1.- Aleaciones
Características
Los metales puros tienen poca aplicación en la industria. La mayoría de ellos se
combinan con otros metales o no metales para mejorar sus propiedades (mayor
dureza, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, etc.)
Se denomina aleación metálica a la mezcla de dos o más elementos químicos, uno
de los cuales tiene carácter metálico, que en estado sólido tiene propiedades
metálicas.
Los elementos de una aleación deben ser totalmente miscibles en estado líquido, de
forma que al solidificarse resulte un producto homogéneo.
Cuando se mezclan metales que cristalizan en la misma red tridimensional, se
denomina disolvente al que interviene en mayor proporción y soluto al que lo hace
en proporción menos.
Cuando se mezclan metales que cristalizan en distinta red, se llama disolvente al
metal cuya estructura cristalina es la misma que la de la aleación, aunque intervenga
en menor proporción.
Estructura: soluciones sólidas
Las aleaciones metálicas son soluciones sólidas entre 2 ó más elementos.
Dependiendo de la disposición de los átomos del disolvente y del soluto, nos podemos
encontrar con dos tipos de soluciones:
Solución solidas de sustitución: son aquellas
aleaciones en las que los átomos del elemento
disuelto (soluto) sustituyen y ocupan los nudos de los
átomos del elemento disolvente en su red cristalina,
sin modificarla, siendo ambos casi del mismo tamaño
Para que dos átomos A y B sean totalmente solubles
en estado sólido, se deben cumplir varias
condiciones:
-
Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema.
Ambos metales deben tener la misma valencia.
Ambos metales han de poseer una electronegatividad semejante
Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%.
Ejemplo: cobre con niquel (Cu-Ni); oro con plata (Au-Ag)
La mayor parte de los metales forman únicamente soluciones sólidas de solubilidad
parcial.
Solución sólidas de inserción son aquellas
aleaciones en las que los átomos del elemento
soluto se sitúan en los intersticios, entre los átomos
del elemento disolvente, siendo el tamaño de los
átomos del elemento disuelto mucho menores.
El elemento que suele actuar de soluto es un no
metal de pequeño tamaño (C, N, O ó H).
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Los metales que actúan de disolvente suelen ser metales de transición (Fe, Cr,
Mn, Co, Ni,…)
Las aleaciones hierro-carbono (acero) se presentan siempre como soluciones
sólidas intersticiales, (Ferrita que es hierro α con carbono intersticial y la
Austerita, que es hierro γ con carbono intersticial). El radio atómico del hierro es
de 0,129 nm y el del carbono es de 0,075 nm.
2.- Solidificación de las aleaciones
La solidificación de materiales y aleaciones metálicas es un proceso industrial que parte del
estado líquido y enfría el material en forma de lingote o en un molde con la forma definitiva.
Las propiedades dependen en gran medida de la manera en que se lleva a cabo la
solidificación.
El proceso de solidificación de un metal o de una aleación metálica puede dividirse en dos
etapas, que se regulan por sus velocidades:
-
Velocidad de nucleación: es la velocidad a la que se forman pequeños núcleos
estables sólidos en el interior del líquido fundido.
Velocidad de cristalización: es la velocidad a la cual los núcleos estables crecen
hasta dar lugar a la estructura cristalina.
Según este proceso se obtiene la curva de enfriamiento de un material, en función de la
temperatura y el tiempo.
Curva de enfriamiento de un metal y de una aleación
METAL PURO
Temperatura
Temperatura
Líquido
T
solidificación
ALEACIÓN EUTÉCTICA
ALEACIÓN
Temperatura
Líquido
2
1
T inicio
solidificación
1
T fin
solidificación
2
Líquido
Intervalo
solidificación
T
solidificación
2
1
Sólido
Sólido
tiempo
tiempo
1 = Inicio del proceso de solidificación
Sólido
tiempo
2 = Fin del proceso de solidificación
Los metales puros tienen una sóla temperatura de solidificación, mientras que las
aleaciones tienen un intervalo de solidificación (excepto la aleación eutéctica, que
veremos más adelante)..
3.- Diagrama de equilibrio en aleaciones
Se llaman diagramas de equilibrio o diagrama de fases. Representan la relación entre la
estructura, la composición, el número de fases y las transformaciones desde el estado
líquido al estado sólido.
Fase: es cada una de las partes o masa homogénea de que se compone un
sistema y se diferencia físicamente del resto (ej: fase sólida, líquida y gaseosa).
Dentro de un sólido pueden existir varias fases
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Componente: son cada una de las sustancias o elementos químicos que forman
un material. (ej: el Fe (hierro) y el Fe3C (cementita)son constituyentes del acero)
Los diagramas de equilibrio nos permiten saber qué fases se encuentran presentes para
cada composición de una aleación y a qué temperatura. También permiten saber las
temperaturas de inicio y fin del proceso de solidificación; las temperaturas en que se
produce un cambio de fases y la solubilidad que tienen los componentes en estado sólido y
líquido.
En todos los diagramas vamos a analizar tres datos:
Numero de fases
Composición de cada fase (mediante la regla de la horizontal),
Cantidad o proporción de cada fase (mediante la regla de la palanca o de los
segmentos inversos),
Representación de diagramas de equilibrio de la aleación A-B:
Para dibujar un diagrama hay que seguir los siguientes pasos:
-
Se dibujan las curvas de enfriamiento de los metales puros A y B, indicando el
punto de fusión o solidificación.
Se dibujan las curvas de enfriamiento de aleaciones A-B de diferentes
composiciones, marcando las temperaturas de inicio y fin de la solidificación
Con las curvas anteriores se dibuja la gráfica temperatura-concentración. Para
ello se unen todos los puntos de inicio del proceso de solidificación, obteniendo
una línea por encima de la cual todo es líquido (línea de liquidus). Y se unen
todos los puntos del fin del proceso de solidificación, obteniendo una línea por
debajo de la cual todo es sólido (línea de solidus). La zona comprendida entre
ambas líneas está formada por una mezcla de aleación en estado líquido y
estado sólido.
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LÍQUIDO Y ESTADO SÓLIDO
Tª
1600
0%B
100%A
T1=T2
25%B
75%A
1500
T1
50%B
50%A
Se
toman
diferentes
aleaciones A-B, se funden
y
se
dejan
enfriar
lentamente.
75%B
25%A
T1
1300
Se dibujan sus gráficas de
enfriamiento.
T1
1400
100%B
0%A
T1 = temperatura de inicio
de solidificación (comienza
la formación de cristales)
T2
T2
T2
T1 =T2
1200
1100
t
Línea de
liquidus
Tª
1600
1500
T1
En estas aleaciones existe una
solubilidad en estado sólido por
lo que los átomos se mezclan en
el interior del grano cristalino, es
decir, dentro de los granos hay
metal A y B. Todos los granos
son similares.
T1
T1
1400
L+s
T2
1300
T2
T2
1200
1100
Se
dibuja
la
gráfica
Temperatura- concentración.
LÏQUIDO L
T1 =T2
SÓLIDO s
0%B
100%A
25%B
75%A
Línea de
3
solidus
50%B
50%A
75%B
25%A
T2 = temperatura de fin de
solidificación (formación del
último cristal
T1=T2
100%B
0%A
%B
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El diagrama se divide en tres zonas. En la zona L hay una sola fase, líquida y
homogénea. En la zona L+α hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de
aleación sólida α (AB mezclados). En la zona α hay una fase sólida formada por la
mezcla AB.
Vamos a analizar el diagrama fijándonos en los siguientes puntos:
Tª
Ejemplo: Aleación 75% A y 25% B:
-
1600
En el punto “a”



LÏQUIDO L
1500
Numero de fases = 1 (liquido)
s
1400
Composición de cada fase:
Líquido =75% A - 25 %B
l
b
L+S
1300
Cantidad o proporción de cada
fase:
Wlíquido = 100 %
-
a
c
1200
SÓLIDO S
1100
En el punto “b”
0
10
25
50
75

Numero de fases = 2 (liquido y
sólido α)

Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal para hallar la
composición química del sólido y del líquido (se traza una línea horizontal que
pase por el punto “b” y corte a las líneas de fase; el punto de corte con la
línea de líquido nos da la composición de la fase líquida y el punto de corte
con la línea de sólido nos da la composición de la fase sólida)
Líquido L= l % B = 75% B y 25% A
Sólido S = s % B = 10% B y 90% A

Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de
los segmentos inversos para hallar la cantidad en tanto por ciento de la fase
sólida y de la fase líquida (se traza una línea horizontal que pase por el punto
“b” y corte a las líneas de fase; esa línea s-l es el denominador y en el
numerador se coloca el segmento inverso desde nuestro punto “b” a la línea
de fase)
Wlíquido =
Wsólido =
-
100 (%) =
100 (%) =
100 = 23%
100 = 77%
En el punto “c”

Numero de fases = 1 (sólido α)

Composición de cada fase:
Solido =75% A - 25 %B

Cantidad o proporción de cada fase:
Wsólido = 100 %
4
%B
100
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LÍQUIDO E INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO
Tª
100%B
0%A
0%B
100%A
20%B 40%B 60%B
80%A 60%A 40%A
1500
T1=T2
1400
80%B
20%A
T1
Se dibujan las curvas de
enfriamiento en un diagrama
Tª – t
T1 =T2
Observamos que todas las
aleaciones A-B acaban de
solidificar
a
la
misma
temperatura.
T1
T1
1300
1200
T2
T1 =T2
T2
T2
1100
1000
t
1500
T1 =T2
LÏQUIDO L
T1 =T2
1400
Se representa el diagrama de
fases
Línea de
liquidus
Tª
T1
T1
T1
1300
L+B
L+A
1200
T2
T2
T2
1100
Línea de
solidus
SÓLIDO A+B
1000
0
%B
20
40
Aleación
hipoeutéctica
60
Los metales puros A y B y la
aleación eutéctica tienen una
sola
temperatura
de
solidificación. El resto de
aleaciones tiene un intervalo
de solidificación
80
100
El diagrama se divide en cuatro
zonas.
- En la zona L hay una sola
fase, líquida y homogénea.
- En la zona L+A hay dos
fases, una de líquido A-B y otra de
cristales de solido A.
- En la zona L+B hay dos
fases, una de líquido A-B y otra de
cristales de solido B.
En la zona sólida hay un
sólido formado por dos fases A y
B, que no se mezclan.
Aleación
hipereutéctica
En estas aleaciones existe una
insolubilidad entre sus elementos
en estado sólido, lo que hace que,
Aleación
al formarse los granos cristalinos,
eutéctica
los metales no se mezclan dentro
del grano por lo que cada grano es
de un metal puro; Es decir, tenemos granos formados por el metal A y granos del
metal B (dos fases) mezclados al azar.
A la aleación de punto de fusión más bajo se le llama aleación eutéctica.
Reacción eutéctica: transformación de un líquido a cierta temperatura en dos fases
sólidas. Es la aleación de menor temperatura de fusión
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Línea de
liquidus
Ap = A proeutéctico
Bp = B proeutéctico
Tª
1500
(A+B)eu = aleación
eutéctica
LÏQUIDO L
a
1400
b
1300
L + Bp
L + Ap
1200
1100
c
A+B
Línea de
solidus
Aleación eutéctica
1000
Ap+(A+B)eu
0
Bp+(A+B)eu
%B
20
60
40
Aleación
hipoeutéctica
80
100
Aleación
hipereutéctica
-
En las aleaciones hipoeutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los
cristales que solidifican en la zona L+A son de sólido puro A, mientras que el líquido
que queda se va empobreciendo en A.
Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada
contiene cristales de A puro y B puro que no se mezclan (sólido con dos fases A+B)
Pero podemos considerar que existe un constituyente A proeutéctico (se formó
antes de la temperatura eutéctica)), más una estructura compuesta de A+B
(composición eutéctica). Es la zona Ap+(A+B)eu
-
En la aleación eutéctica sólo hay un punto de solidificación y toda la aleación pasa
-
de estado líquido a sólido a la temperatura T2. Se forman dos fases A y B, que no se
mezclan.
En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1, los
cristales que solidifican en la zona L+B son de sólido puro B, mientras que el líquido
que queda se va empobreciendo en B.
Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada
contiene cristales de de A puro y B puro que no se mezclan (sólido con dos fases
A+B) Pero podemos considerar que existe un constituyente B proeutéctico (se formó
antes de la temperatura eutéctica)), más una estructura compuesta de A+B
(composición eutéctica). Es la zona Bp+(A+B)eu
Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la
horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la
palanca.
Ejemplo: Aleación 80% A y 20% B:
-
En el punto “a”

Numero de fases = 1 (liquido)

Composición de cada fase: Líquido =80% A - 20 %B

Cantidad o proporción de cada fase: Wlíquido = 100 %
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-
IES Nuestra Señora de la Almudena
Mª Jesús Saiz
En el punto “b”

Numero de fases = 2 (liquido y sólido A)

Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal
Líquido = l %B = 40% B y 60% A
Sólido A = s % B = 0% B y 100% A

Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de
los segmentos inversos
Wlíquido =
100 (%) =
Wsólido =
-
100 (%) =
100 = 50%
100 = 50%
En el punto “c”

Numero de fases = 2 (solido A y sólido A+B)

Cantidad o proporción de cada fase:
Primero se calculan las cantidades totales de A y B
WA = 80% y WB = 20%
Para conocer las cantidades de cada fase A y fase A+B, se compara la fase
A+B con la composición del punto eutéctico.
WAeutectico = 40%
WBeutectico = 60%
Comparamos los cristales de B que son todos eutécticos, mediante regla de
tres:
Aeutéctico
Beutéctico
Eutéctico
40
60
Punto c
x
20
Resolviendo: x = 13,3%, de modo que el A primario será 80-13,3 = 66,7.
Y la cantidad de cada fase es:
WA proeutéctico = 66,7% y W(A+B) eutéctico = 13,3 + 20 = 33,3%
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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO EN ALEACIONES TOTALMENTE SOLUBLES EN
ESTADO LÍQUIDO Y PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO
La mayor parte de los metales de uso industrial presentan alguna solubilidad
entre sí al alearse. Por ejemplo: en la aleación Cu-Zn, el cobre no es capaz de
solubilizar más de un 30% de Zn
Se representa el diagrama de fases
Línea de
liquidus
Tª A
1800
B
LÏQUIDO L
1600
Línea de
solidus
1400
L+
1200
1000
α
L+
α
β
β
α+β
Aleación eutéctica
SÓLIDO α+β
800
0
%B
20
40
Aleación
hipoeutéctica
60
80
100
Aleación
hipereutéctica
Aleación
eutéctica
En estos sistemas los metales son solubles pero en pequeña cantidad (parcialmente
solubles, Al solidificar aparecen soluciones sólidas α y β
α = solución sólida de B disuelto en A (mucha cantidad de A y poca de B)
β = solución sólida de A disuelto en B (mucha cantidad de B y poca de A)
A la temperatura eutéctica las fases sólidas que se forman son soluciones α y β.
Se observa en el diagrama que ocurren transformaciones en estado sólido.
El diagrama se divide en seis zonas:
-
En la zona L hay una sola fase, líquida y homogénea.
En la zona L+α hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de aleación
sólida α (sólido α con solubilidad parcial)
En la zona L+β también hay dos fases, una de líquido y otra de cristales de
aleación sólida β (sólido β con solubilidad parcial)
En la zona α, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida α.
En la zona β, hay una fase sólida formada por cristales de aleación sólida β.
En la zona α+β hay un sólida formado por dos fases α y β, que son
soluciones sólidas con solubilidad parcial.
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- En
las
aleaciones
hipoeutécticas, comienza la
solidificación a la temperatura
T1, los cristales que solidifican
en la zona L+α son de sólido
α, mientras que el líquido que
queda se va empobreciendo
en A.
Al llegar a la temperatura T2
desaparece todo el líquido y
la aleación formada contiene
cristales de α (proeutécticos),
más
una
estructura
compuesta
de
α+β
(composición eutéctica). Es la
zona α+(α+β).
Por debajo de la temperatura
T2, disminuye la solubilidad de
A y B, por lo que la solución α
pierde cristales de B y la
solución β pierde cristales de
A.
-
-
-
Mª Jesús Saiz
Tª A
B
1800
LÏQUIDO L
1600
a
1400
L+
αP
L+
b
βP
1200
1000
α
c
Aleación eutéctica
αP+(α+β)eu
800
357
0
β
α+β
βP+(α+β)eu
90 92
50
20
40
Aleación
hipoeutéctica
60
80
100
Aleación
hipereutéctica
En aleaciones hipoeutécticass con pequeñas cantidades de B, todo el sólido está
en forma de α y este sólido no sufre transformaciones, todo es solución sólida α
En la aleación eutéctica sólo hay un punto de solidificación y toda la aleación pasa
de estado líquido a sólido α+β a la temperatura T2. Por debajo de esta temperatura
disminuye la solubilidad de A y B, por lo que la solución α pierde cristales de B y la
solución β pierde cristales de A.
En las aleaciones hipereutécticas, comienza la solidificación a la temperatura T1,
los cristales que solidifican en la zona L+β son de sólido β, mientras que el líquido
que queda se va empobreciendo en B.
Al llegar a la temperatura T2 desaparece todo el líquido y la aleación formada
contiene cristales de β (proeutécticos), más una estructura compuesta de α+β
(composición eutéctica). Es la zona β+(α+β)
Por debajo de la temperatura T2, disminuye la solubilidad de A y B, por lo que la
solución α pierde cristales de B y la solución β pierde cristales de A.
En aleaciones hipereutécticas,con pequeñas cantidades de A, todo el sólido está
en forma de β y este sólido no sufre transformaciones, todo es solución sólida β
Para calcular la composición de cada una de las fases se emplea la regla de la
horizontal. Y para calcular la cantidad de cada fase se emplea la regla de la
palanca.
Ejemplo:
Aleación 60% A y 40% B:
-
En el punto “a”


Numero de fases = 1 (liquido)
Composición de cada fase:
Líquido =60% A - 40 %B
Cantidad o proporción de cada fase:

Wlíquido = 100 %
-
En el punto “b”

Numero de fases = 2 (liquido y sólido α)
9
%B
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 Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal
Líquido = l %B = 50% B y 50% A
Sólido α = s % B = 3% B y 97% A

Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de
los segmentos inversos
Wlíquido =
100 (%) =
Wsólido =
-
100 (%) =
100 = 78,7%
100 = 21,3%
En el punto “c”

Numero de fases = 2 (solido α y sólido α+β)

Composición de cada fase: se aplica la regla de la horizontal
Sólido α = 5% B y 95% A
Sólido β = 92% B y 8% A

Cantidad o proporción de cada fase: se aplica la regla de la palanca o de
los segmentos inversos
Primero se calculan las cantidades totales de α y β
Wα =
100 = 59,8%
Wβ =
100 = 40,2%
Para conocer las cantidades de cada fase α y fase α+β, se compara la fase
α+β con la composición del punto eutéctico.
Wαeutectico =
Wβeutectico=
100 = 36,1%
100 = 63,9%
Comparamos los cristales de β que son todos eutécticos, mediante regla de
tres:
αeutéctico
βeutéctico
Eutéctico
36,1
63,9
Punto c
x
40,2
Resolviendo: x = 22,7%, de modo que el α primario será 36,1 - 22,7 = 13,4%.
Y la cantidad de cada fase es:
Wα proeutéctico = 13,4% y W(α+β) eutéctico = 22,7 + 63,9 = 86,6 %
10
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Ejercicios:

PAU Septiembre 2013/2014
A partir del siguiente diagrama de equilibrio de fases simplificado de la aleación de
cobre y níquel:
a) Indique a qué situación de solubilidad corresponde.
b) Indique la temperatura de fusión y solidificación de los metales puros.
c) Describa el proceso de enfriamiento desde 1.400 ºC hasta la temperatura
ambiente de una aleación con un 65 % de cobre, indicando las
temperaturas más significativas.
d) Determine la proporción de las fases presentes a 1.300 ºC en una aleación
con un 45 % de níquel.

PAU Modelo 2010/2011
En la figura adjunta se representa el diagrama de fases de la aleación de los
metales A-B.
a) Determine la composición del eutéctico y la temperatura a la que solidifica.
Indique los diferentes estados por los que pasa al enfriar desde el estado líquido al
sólido, las temperaturas a las que se produce el cambio y las composiciones de la
fase líquida y sólida, en los siguientes casos:
b) Metal A puro (0,5 puntos)
c) Aleación con 80% de A y 20% de B. (1 punto)
11
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
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PAU Junio 2007/2008
Sea el siguiente diagrama de fases de la aleación de los metales A-B. Comente los
estados por los que pasa cuando se enfría desde el estado líquido hasta
temperatura ambiente, indicando las temperaturas a las que se producen, en los
siguientes casos:
a) Metal A puro
b) Aleación con 80% de A y 20 % de B
c) Aleación con 40% de A y 60 % de B

PAU Septiembre 2006/2007
En la Figura adjunta se muestra el diagrama de fases de una aleación A-B.
Conteste a las siguientes cuestiones:
a) ¿Cuál es la temperatura de inicio y de fin del proceso de solidificación para
las siguientes composiciones?
i) 20% A
ii) 40% de B
b) ¿A partir de qué composición de B una aleación estaría totalmente líquida
a 1300ºC? ¿Y sólida?
c) Calcule el número de fases y, de forma aproximada, la composición de
cada una y las cantidades relativas de cada fase para una aleación del
50% de A a 1300ºC
12
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
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PAU Junio 2004/2005
En la figura adjunta se muestran las curvas de enfriamiento para una aleación de
metales A-B completamente soluble en estado líquido e insoluble en estado sólido.
Determine:
a) La composición del eutéctico y temperatura a la que solidifica
b) El diagrama de fases, indicando las fases existentes en cada una de las
áreas en que se subdivide el diagrama
c) La proporción de los constituyentes (A-eutéctico) de una aleación con 80
% de A y 20 % de B a temperatura ambiente

Ejercicio:
Defina los siguientes términos:
a)
b)
c)
d)
Aleación metálica
Solución solidas de sustitución
Solución sólidas de inserción
Aleación eutéctica
13