Introducción a los materiales metálicos

Vamos a comenzar explicando que es un enlace químico, es la unión de varios átomos. Estos se unen para adquirir una situación química más estable que por separado. Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a ocho, estructura que coincide con la de los gases nobles. Los gases nobles tienen muy poca tendencia a formar compuestos y suelen encontrarse en la naturaleza como átomos aislados, son los átomos más estables que existen.

Tipos de enlaces químicos

Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos.

Existen tres tipos principales de enlaces químicos: enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico. 

• Enlace iónico: Este enlace se produce cuando se unen átomos metálicos con otros no metálico. En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Un ejemplo de este enlace es el NaCl, cloruro de sodio.
Son sólidos a temperatura ambiente.
Cuando se trata de sustancias disueltas su conductividad es alta.
Su dureza es bastante grande, por lo tanto tienen altos puntos de fusión y ebullición.
Son solubles en solventes polares como el agua.
• Enlace covalente: son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos. Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos, para adquirir la estabilidad de la estructura electrónica de gas noble. En este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos. Un ejemplo de esta sustancia es H2O, Agua. 
Tanto sus puntos de fusión y ebullición no son elevados.
Son solubles en solventes apolares.
Son malos conductores del calor y la electricidad
• Enlace metálico: este enlace es lo que se conoce como nube de electrones. Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa. Éstos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve. Como propiedades más características se puede destacar su alta conductividad eléctrica y térmica, ductibilidad y maleabilidad.

El enlace metálico

Es un enlace químico que mantiene unidos los átomos de los metales entre sí. Esta unión se produce por que los átomo metálicos comparten sus electrones con los demás para adquirir la configuración de gas noble que es la más estable. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas.

 

Es un enlace fuerte que se forma entre elementos de la misma especie. Al estar los átomos tan cercanos unos de otros, interaccionan sus núcleos junto con sus nubes electrónicas, empaquetándose en las tres dimensiones, por lo que quedan los núcleos rodeados de tales nubes. Estos electrones libres son los responsables de que los metales presenten una elevada conductividad eléctrica y térmica, ya que estos se pueden mover con facilidad si se ponen en contacto con una fuente eléctrica. 

Los elementos con un enlace metálico están compartiendo un gran número de electrones de valencia, formando un mar de electrones rodeando un conjunto gigante de cationes, iones con cargas positivas.

La unión metálica es apolar, apenas hay diferencia de electronegatividad entre los átomos metálicos. Esto quiere decir que el átomo tiene poca apetencia a adquirir electrones de otros átomos.

Características de los materiales metálicos
Existen muchas propiedades interesantes para los materiales metálicos, las cuales vienen determinadas por sus características estructurales:

• Resistencia mecánica: La prueba más importante que se le realiza a un metal es su resistencia a la tracción. Se tira de los extremos del material asta que se rompa, comprobando las deformaciones en función de las tensiones que se apliquen. También se les someten a fuerzas de torsión, compresión, flexión y cizallamiento, que como pudimos ver en una entrada anterior el material que soportaba mejor estas fuerzas era un metal, el acero.  
• Estado físico: a temperatura ambiente la mayor parte de los metales se encuentran sólidos, excepto el mercurio y el galio. Por lo que tienen un punto elevado de fusión.
• Brillo: son materiales opacos a sí que reflejan bastante la luz.
• Maleabilidad y dúctiles: tienen la capacidad de hacerse láminas y alambres. 
• Tenacidad: la resistencia que presentan a romperse por tracción.
• Conductividad: son buenos conductores de tanto de la electricidad como del calor. Esto se debe a la estructura química que presentan. Ya que los electrones se hayan en "libre" movimiento. Pero no todos son buenos conductores el mejor conductor es el oro pero no se utiliza en aplicaciones cotidianas ya que es muy caro, por ello se utiliza el cobre o aluminio.
• Son materiales que se pueden soldar cuando se les aplica el calor, presión o rozamiento suficiente.

Metalografía

La metalografía es la ciencia que estudia las características micro estructurales o constitutivas de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas.

Mucha es la información que puede suministrar un examen metalográfico, para ello es necesario obtener muestras que sean representativas y que no presenten alteraciones debidas a la extracción o a la preparación metalográfica.

Antes de observar un metal al microscopio, es necesario acondicionar la muestra de manera que quede plana y pulida.Plana, porque los sistemas ópticos del microscopio tienen muy poca profundidad de campo y pulida porque así observaremos la estructura del metal y no las marcas originadas durante el corte u otros procesos previos.

Las fases de preparación de la probeta metalográfica son las siguientes:

1. Corte de la muestra: es un proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el metal.
2. Desbaste:Durante el proceso de desbaste se eliminan gran parte de las rayas producidas en el corte. Se realiza en una pulidora empleando discos abrasivos de distintos diámetros de partícula, cada vez más finos. 
3. Pulido: Se realiza con paños especiales, del tipo de los tapices de billar. 
4. Ataque químico o electrolítico: El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal ya que atacará los bordes de los granos y afectará de manera diferente a las distintas fases presentes en el metal.

Estructura microscópica de los metales

En los metales podemos decir que hay tres tipos de estructuras de redes cristalinas:
Tipos de cristales más habituales

• Estructura cúbica centrada, está formada por un átomo de metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.

Cada átomo de la estructura, está rodeado por ocho átomos adyacentes y los átomos de los vértices están en contacto según las diagonales del cubo.

 

• Estructura cúbica centrada en las caras. Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel.

Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en contacto.

 

• Estructura hexagonal compacta, esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria.

Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los hexágonos bases del prisma hexagonal.
Los metales que cristalizan en esta forma de estructura son: titanio, magnesio, cinc, berilio, cobalto, circonio y cadmio.

 

Cristalización de los metales
En los metales y aleaciones líquidas, calentados considerablemente por encima de su punto de fusión, los átomos se agrupan a azar, de modo irregular y son portadores de elevada energía y movimiento. A medida que el líquido se enfría y se acerca al punto de solidificación, la energía de algunos átomos puede haber disminuido y con ello su movilidad dentro de la masa, de tal forma que pueden ocupar, respecto a los otros, una posición más orientada, lo que se asemeja a su disposición en el metal sólido.

Una vez alcanzada la temperatura de solidificación, estos grupos aislados de átomos pueden haber quedado ya orientados y enlazados como el cristal elemental, adquiriendo una estructura rígida de orientación los unos respecto a los otros.

Estos cristales en crecimiento, cuando alcanzan cierto tamaño se convierten en núcleos de cristalización, y a su alrededor comienza a tejerse la red cristalina, a medida que más y más átomos van perdiendo energía con el enfriamiento.

En el transcurso de su crecimiento dentro de la masa líquida, los cristales empiezan a entrar en contacto, lo que impide la formación de cristales geométricamente correctos, por consiguiente, después de la solidificación completa, la forma exterior de los cristales formados adquiere un carácter casual.

Tales cristales se denominan granos y los cuerpos metálicos, compuestos de un gran número de granos, se denominan policristalinos

El grano

Los tamaños de los granos dependen de la velocidad con que se forman y crecen los núcleos.

Tanto la velocidad de formación de los núcleos como la velocidad de su crecimiento depende en gran medida de la velocidad de enfriamiento y de la temperatura de sobrefusión.

Un enfriamiento rápido conduce a la formación de muchos núcleos y con ello a un tamaño del grano menor que con lento enfriamiento.

Si se pudiera lograr un enfriamiento lo suficientemente lento, la masa del metal estaría formada por un pequeño grupo de granos casi geométricamente perfectos.

Materiales metálicos

Podemos hacer una clasificación de los metales en función de su densidad. La densidad es la relación entre la masa y el volumen de una sustancia.

Aquí os muestro una tabla con las densidades de los principales metales utilizados en la industria.

Los metales que se usan día a día en la industria no son puros, sino que son aleaciones para mejorar sus propiedades dependiendo de las diferentes aplicaciones. Las aleaciones son mezclas de metales, ya sea en mayor o menor porcentaje.

Por ejemplo: las aleaciones férreas son aleaciones con base de hierro, las cuales suponen más de 90% de los materiales metálicos utilizados en la industria. Estas se dividen en dos grandes grupos: aceros y fundiciones.

El acero: es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de carbono y que adquiere con el temple gran dureza y elasticidad. El porcentaje de carbono en el acero constituye entre un 0.05 y 2% de la aleación y el resto es hierro. El procentaje de carbono dependerá para el tipo de aplicación.

Se desconoce la fecha exacta en que se descubrió la técnica para obtener hierro a partir de la fusión de minerales. Sin embargo, los primeros restos arqueológicos de utensilios de hierro datan del 3000 a. C. y fueron descubiertos en Egipto.  Algunos de los primeros aceros provienen del este de África, cerca de 1400 a. C. Durante la dinastía Han de China se produjo acero al derretir hierro forjado con hierro fundido, en torno al siglo I a. C. También adoptaron los métodos de producción para la creación de acero wootz, un proceso surgido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 a. C. y exportado a China hacia el siglo V.

La procedencia del hierro que se utiliza en la industria suele ser fundamentalmente de dos sitios: de las minas, de la chatarra, es decir, a través del reciclado de automóviles, electrodoméstico. Es uno de los materiales más abundantes en la tierra, pero se encuentra formando parte de otros minerales.

El principal mineral de hierro es el hematitis, el cual cuando es puro contiene 70% hierro. Cuando este oxido de hierro contiene agua se denomina limonita, y contiene 60% de hierro cuando es puro. La magnetita se halla con menos abundancia. La siderita se a empleado como mineral, pero debido a su pequeño contenido en hierro no se emplea con frecuencia en la actualidad.

   

Características y propiedades

Alta resistencia mecánica: Los aceros son materiales con alta resistencia mecánica al someterlos a esfuerzos de tracción y compresión y lo soportan por la contribución química que tienen los aceros. Por medio de los ensayos de laboratorio se determina la resistencia a tracción y a compresión evaluando su limite elástico y el esfuerzo de rotura. 

Elasticidad: La elasticidad de los aceros es muy alta, en un ensayo de tracción del acero al estirarse antes de llegar a su límite elástico vuelve a su condición original. 

Es un material que se puede unir por medio de soldadura y gracias a esto se pueden componer una serie de estructuras con piezas rectas. 

Ductilidad: Los aceros tienen una alta capacidad para trabajarlos, doblarlos y torcerlos. Forjabilidad: Significa que al calentarse y al darle martillazos se les puede dar cualquier forma deseada. 

Oxidación: Los aceros tienen una alta capacidad de oxidarse si se exponen al aire y al agua simultáneamente y se puede producir corrosión del material si se trata de agua salina.

Es un material que perforarlo y cortarlo sin que se rompa.

El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes, el hierro es de alrededor de 1510 °C, el acero alrededor de 1375 °C y el acero rápido funde a 1650 °C.

Su densidad media es de 7850 kg/m³.

Cristalografía de los aceros

 

El aluminio: es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8 % de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis.

Descubrimiento: El aluminio se utilizaba en la antigüedad clásica en tintorería y medicina bajo la forma de una sal doble, conocida como alumbre y que se sigue usando hoy en día. En el siglo XIX, con el desarrollo de la física y la química, se identificó el elemento. Su nombre inicial, aluminum, fue propuesto por el británico Sir Humphrey Davy en el año 1809.

En el año 1825, el físico danés Hans Christian Orsted, descubridor del electromagnetismo, logró aislar por electrólisis unas primeras muestras, bastante impuras. El aislamiento total fue conseguido dos años después por Friedrich Wöhler.

La extracción del aluminio a partir de las rocas que lo contenían se reveló como una tarea ardua. A mediados de siglo, podían producirse pequeñas cantidades, reduciendo con sodio un cloruro mixto de aluminio y sodio, gracias a que el sodio era más electropositivo. Durante el siglo XIX, la producción era tan costosa que el aluminio llegó a considerarse un material exótico, de precio exorbitado, y tan preciado o más que la plata o el oro.

Diversas circunstancias condujeron a un perfeccionamiento de las técnicas de extracción y un consiguiente aumento de la producción, lo que produjo un abaratamiento del producto.

Extracción del aluminio de los minerales. La industria metalúrgica extrae el aluminio. a partir de la bauxita. Esta se encuentra en la naturaleza mezclada con pequeñas cantidades de hierro, silicio y otras impurezas, que en principio se eliminan, y se la somete a especiales tratamientos para obtener la alúmina pura. La alúmina se funde y mezcla con abundantes cantidades de criolita (mineral que contiene aluminio.), flúor y sodio, también mantenido en estado de fusión.

La extracción del aluminio a partir de la clorita mediante electrolisis. Cuatro toneladas de bauxita producen dos toneladas de alúmina y, finalmente, una de aluminio.

Características y propiedades más significativas: 

• Número atómico: 13
• Peso atómico: 26.981538
• Símbolo atómico: Al
• Punto de fusión: 660.32° C
• Punto de ebullición: 2519° C
• Es un material blando y maleable
• En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm²
• Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico
• Es buen conductor eléctrico y térmico
• Se puede soldar
• La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al2O3.
• No se utiliza en la industria como material para de construcción de estructuras. 

Estructura cristalográfica: a estructura cristalina del aluminio como la de sus aleaciones es una red cubica centrada en las caras, lo que hace a estos materiales altamente estable hasta que se funden.

 

ESTO HA SIDO TODO POR ESTA ENTRADA, A PESAR DE QUE ERA UNA INTRODUCCIÓN, ME HA LLEVADO UN BUEN RATO