INTRODUCCIÓN A LOS MATERILAES METÁLICOS
Metales, estamos rodeados de este material miremos por donde miremos. Desde las formas mas variadas, colores, proporciones, tratamientos, etc. en esta ocasión entraremos en detalle
"un poco" y digo un poco porque es un tema muy extenso, veremos las características, los tipos de enlaces químicos, haciendo hincapié en el enlace metálico, la metalografía, clasificación por densidades e importancia industrial, desarrollaremos el acero y el aluminio.
TIPOS DE ENLACES QUÍMICOS
Primero empezaremos conociendo ¿Qué es un enlace químico o atómico?. Los enlace químico son las interacciones físicas (entre partículas con carga eléctrica), responsables del intercambio de electrones que ocurren entre los átomos, moléculas e iones. En este proceso de interacción física se producen transferencia de electrones entre los átomos participantes, cabe destacar que las moléculas, cristales y gases diatómicos forman la mayor parte del ambiente físico que nos rodea.
Para que se produzca un enlace los átomos deben de ceder, aceptar o compartir electrones. Las cargas opuestas se atraen ya que al estar unidas adquieren mayor estabilidad, esta mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a ocho (o regla del octeto, enunciada en 1916 por Gilbert Newton Lewis, dice que la tendencia de los iones de los elementos del sistema periódico es completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de 8 electrones y de esta forma adquiere una configuración muy estable)
Ahora veremos que los tipos de enlaces se dividen en:
ENLACE IÓNICO O ELECTROVALENTE
Es la unión de átomos que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, uno altamente electropositivo (baja energía de ionización) y otro altamente electronegativo (alta afinidad electrónica), haber dicho de otra manera, los elementos involucrados aceptan o pierden electrones (un catión y un anión). No hay un valor preciso que distinga la ionicidad a partir de la diferencia de electronegatividad pero una diferencia de 1.7.
ENLACE COVALENTE
Un enlace covalente es la unión de átomos donde se da un compartimiento de uno o mas electrones del último nivel para alcanzar el octeto estable a excepción de el Hidrógeno que alcanza la estabilidad cuando tiene dos electrones, para que se genere este tipo de enlace es necesario que la diferencia de electronegatividad entre átomos sea menor a 1,7. Los enlaces covalentes se producen entre átomos de un mismo elemento no metal y entre distintos elementos no metales, otra característica por ejemplo entre dos átomos no metálicos pueden compartirse uno, dos o tres pares de electrones, esto dará lugar a la formación de un enlace simple, doble o triple respectivamente.
ENLACE METÁLICO
Es un enlace químico que mantiene unidos los átomos de los metales entre si
(union entre núcleos atómicos y los electrones de valencia),en este tipo de estructuras cada átomo metálico esta dividido por otros doce átomos
(6 en el mismo plano, 3 por encima y 3 por debajo), la estructura de este enlace es muy compacta ya que los átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros interaccionando sus núcleos junto con sus nubes electrónicas, otra característica de los metales es la elevada conductividad eléctrica y térmica por los electrones libres que presenta ya que estos se pueden mover con facilidad si se ponen en contacto con una fuente eléctrica.
ENLACES SECUNDARIOS
Dentro de este tipo de enlace tenemos:
ENLACE DE HIDRÓGENO. Son los mas comunes en las moléculas con enlace covalente que contengan hidrógeno, estos se producen entre átomos covalentes y oxigenados llevando cargas eléctricas muy pequeñas alrededor del enlace de hidrógeno y cargas negativas alrededor de los enlaces oxigenados.
Es un caso especial de enlace entre moléculas polares.
Es el tipo de enlace secundario mas fuerte.
Su densidad depende del peso atómico, radio atómico (iónico) y distribución atómico espacial.
Conductividades eléctrica y térmica
ENLACE DE VAN DER WAALS. Es una fuerza débil de atracción que puede existir entre los átomos y las moléculas, a este enlace s debe la condensación de los gases nobles y de las moléculas con enlaces químicamente para formar líquidos y sólidos a temperaturas bajas. Este tipo de enlace es semejante al iónico, esto es por atracción de cargas opuestas, la diferencia clave es que no se transfieren electrones, la atracción depende de las atracciones asimétricas de carga positiva y negativa dentro de cada unidad atómica o molecular que se enlaza. El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos según los dipolos temporales, permanentes.
Una vez visto los tipos de enlaces de manera general, profundizaremos en el Enlace metálico, que es el tema que tratamos y los materiales con los que trabajamos.
ENLACE METÁLICO
Este enlace atómico se presenta en los metales sólidos, donde los átomos se quedan empaquetados relativamente muy juntos es un tipo de ordenación sistemática o estructura cristalina. El enlace metálico es una consecuencia de la facilidad de disociación de los metales en iones positivos y electrones libres.
Hay muchos estados cuánticos disponibles en los metales, todos los cuales no pueden ser ocupados por electrones cuando los átomos se acercan unos a otros, por consiguiente los metales tienen enlazamiento no saturado y se componen de un gran número de átomos (una macromolécula), los electrones liberados se desplazan con facilidad de los orbitales de un átomo a los del otro y ya no están confinados a un par de átomos; elementalmente son como un fluido, es por esto que por lo común se representa a los metales como un gran agregado de centros iónicos positivos inmersos en una nube o mar de electrones. Esta es la clásica y se podría decir simple teoría de los electrones libres de los metales, para distinguir los metales de los no metales, explica las conductividades eléctricas y térmicas extraordinariamente buena de los metales, también explica la opacidad óptica y la reflectividad, ¿cómo? la oscilación de los electrones libre absorbe la energía de la luz incidente en todas las direcciones de onda, y por tanto hace que el metal sea opaco. Por otra parte, los electrones oscilantes también emiten ondas luminosas (fotones) y confieren reflectividad al metal.
El enlazamiento insaturado de los metales también explica el empaque compacto de sus átomos, sus propiedades de formación de aleaciones y las propiedades mecánicas sobresalientes de tenacidad y ductilidad con suficiente resistencia mecánica.
Puesto que los electrones no están confinados como ya se mencionó al principio, es posible separar los centros iónicos positivos unos de otros cierta distancia, lo que confiere a los metales buena ductilidad antes que los enlaces con los electrones se rompan, esto contrasta con la fragilidad de los materiales con enlace iónico o covalente, donde es necesario romper enlaces para separar los núcleos que comparten la unión. La propiedad de ductilidad permite deformar los metales fácilmente para darles diversas formas, si a esto sumamos una resistencia y tenacidad suficientes no es de sorprender que los metales sean los materiales dominantes en las aplicaciones de ingeniería.
CARACTERÍSTICA DE LOS MATERILES METÁLICOS
Los metales tienen una serie de características que los diferencian de los demás materiales, los no metales. Además de que todos, a excepción del mercurio son sólidos.
Una característica de las propiedades de los metales es su brillo, es la capacidad de un material para reflejar, absorber o reflectar la luz.
Son buenos conductores, la estructura electrónica de los átomos metálicos se caracteriza por la existencia de pocos electrones en su capa externa, por lo que re requiere escasa energía para que los pierdan y adopten la estructura estable en forma de cationes. Además en una masa metálica, los electrones de valencia fluctúan de uno a otro átomo formando la denominada "nube electrónica" de algún modo compartida por los átomos del metal.
Los metales son materiales, en general bastante densos, insolubles en agua y en muchos disolventes.
Son muy dúctiles, se pueden estirar en forma de hilos; y bastante maleables se pueden estirar en forma de láminas sin romperlos.
Resistencia mecánica.
Maleabilidad.
Los metales son poco duros, mala resistencia a ser rayados.
Es la ciencia que estudia las características micro estructurales o constitutivas de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas. Para ello es necesario obtener muestras que no presenten alteraciones debido a la extracción o preparación metalográfica (cortar una muestra con un equipo especial, es un corte por abrasión y a la vez se le suministra un gran caudal de refrigerante para evitar el sobrecalentamiento de la muestra y sus condiciones micro estructurales), para ello antes de observar un metal al microscopio, es necesario acondicionar la muestra de manera que quede plana y pulida, para ello las fases de preparación son las siguientes:
Corte de la muestra. Proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el metal.
Montaje. Opcional.
Desbaste. Se realiza en una pulidora empleando discos abrasivos de distintos diámetros de partícula cada vez mas fino, para eliminar gran parte de las rayas producidas en el corte.
Pulido. Se puede realizar con paños especiales, del tipo de los lápices de billar, con abrasivos se puede utilizar polvo de diamante o alúmina.
Ataque químico o electrolítico. Pondrá en 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. Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente.
Los átomos de los materiales metálicos, forman una estructura cristalina, que al unirse varias forman los granos y la unión de estas a su vez son las que forman el material de la pieza de metal que vemos a simple.
CRISTAL
Es la forma sólida de como se ordenan y empaquetan los átomo, moléculas o iones, cuya forma se repite y es constante, es lo que le da la forma definida y sólida. Ahora veremos los tipos de cristales mas habituales. Hay varios tipos de estructuras cristalinas en los metales por ejemplo tenemos:
ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC). Es una estructura que caracterizan por tener ocho átomos, distribuidos en cada uno de sus vértices y estos forman un cubo, además de tener un átomo central en cada cara del cubo. Ejemplo de metales con esta estructura Plomo, Oro, Platino, cobre, plata.
El tamaño del grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal, pero el tamaño de grano se puede ver afectado tanto por la temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica.
Depende del tamaño del grano para que los metales tengan unas características u otras por ejemplo, los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza, menor distorsión durante el temple, son menos susceptibles al agrietamiento. Los metales de grano grueso incrementa la endurecibilidad, el cual es solicitado para la carburización y también para el acero que se someterá a largos proceso de trabajo en frío.
MATERILES METÁLICOS
En este apartado comenzaremos hablando de la materia prima, como y de donde salen. Es importante aclarar que estos en estado natural no se encuentran puros ya que se hayan combinados con el oxígeno, o con otros no metales, el hombre para poder usarlos a tenido que aprender como extraerlos en especial el azufre cloro y carbono, pero también hay otros metales que se encuentran puros en la naturaleza llamados metales nativos como el oro, plata, cobre, platino.
Podemos encontrar como materiales metálicos los metales y sus aleaciones, como también sustancias inorgánicas que están constituidas por uno o mas elementos metálicos el hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio.
CLASIFICACIÓN POR DENSIDAD E IMPORTANCIA INDUSTRIAL
Comencemos por conocer el concepto de densidad: es una magnitud que mide la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. Ahora bien hablando de los materiales metálicos se caracterizan por ser elementos muy densos, a continuación os presentare una tabla con los valores de las densidades de los metales.
Ahora bien desde la denominada edad de bronce donde se utilizaron los primeros metales para la fabricación de armas y herramientas hasta la actualidad en la que los materiales metálicos son elementos fundamentales para hacer desde los instrumentos mas minúsculos hasta las mega construcciones, se dividirán en:
Su uso industrial lo podemos encontrar por ejemplo: los pigmentos amarillo y anaranjados son muy buscados por su gran estabilidad, como protección contra la corrosión, para las soldaduras y las aleaciones, en la fabricación de las baterías de Níquel y Cadmio, también utilizados como estabilizadores en los materiales plásticos, como aleación para mejorar las características mecánicas de los alambres de cobre.
Otro ejemplo lo encontramos en el Litio, es un metal ligero y se emplea principalmente en la cerámica y los cristales, como catalizador de polimerización y como lubricante, para la obtención del aluminio mediante la electrólisis, para soldar, en pilas, en baterías para relojes, en medicina (tratamiento para los maniaco depresivos).
El Níquel, a causa de su elevada resistencia a la corrosión, sirve para niquelar los objetos metálicos con el fin de protegerlos de la oxidación y darles un brillo inalterable en la intemperie.
En el siguiente punto vamos a desarrollar el Acero su descubrimiento, su procedencia mineralógica del Hierro, importancia histórica, características, propiedades mas significativas, estructuras cristalográficas, colores del acero en función de la temperatura.
El acero es una mezcla de Hierro con una cantidad de Carbono que varía entre el
0,03% y el 2,14% en masa de su composición, pero también existen otros tipos de acero en función del elemento o los elementos aleantes que estén presentes, cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente de mayor a menor dureza, como por ejemplo: perlita, cementita y ferrita además de la austenita.
Remontándonos un tiempo hacia el descubrimiento del acero. La palabra
"acero" procede del latín
"aciarius" y este de la palabra
"acies", que en esta lengua se denomina
"filo de un arma blanca", 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 de
3000 a.c y fueron descubiertos en Egipto. Durante la dinastía Han de China se produjo acero al derretir hierro forjado con hierro fundido y así sucesivamente la evolución del tratamiento de los metales así como de otras cosas hasta lo que conocemos hoy, como por ejemplo algunos metales y metaloides en forma de terroaleaciones, que unidos al acero le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia.
En la actualidad, el proceso de fabricación del acero, se completa mediante la llamada metalurgia secundaria, en esta etapa se otorga al acero líquido las propiedades químicas, temperatura contenido de gases y nivel de inclusiones e impurezas deseados. Otro ejemplo claro es el uso intensivo que tiene y a tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas que ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que de alguna forma a permitido el avance de las ciencias de los materiales, esta el colapso del puente Tacoma Narrows al entrar en resonancia con el viento, roturas de ejes de los ferrocarriles, hundimientos imprevistos de cargueros estadounidenses (carguero Liberty) que en un primer momento se achaco al descenso de las temperaturas y como este mas casos.
El hierro o fierro
(en países hispanohablantes), este elemento de símbolo Fe, situado en el grupo 8, periodo 4, de número atómico 26 de la tabla periódica, es el cuarto elemento mas abundante de la corteza terrestre.
Se caracteriza por ser un metal maleable de color gris plateado presenta propiedades magnéticas, es extremadamente duro y denso, se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales entre ellos muchos óxidos raramente se encuentra libre. Para obtener hierro los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.
La importancia histórica del hierro radica en la influencia que tubo para el desarrollo de las distintas culturas, como los Sumerios, Egipcios. Entre los siglos XII y X a.C se produjo una rápida transición en Oriente medio desde las armas de bronce a las de hierro denominada la Edad de Hierro.
El acero como muchos otros materiales cuenta con una serie de propiedades.
DUREZA. Resistencia que ofrecen el acero para evitar ser penetrados o rayados.
TENACIDAD. Característica de los aceros de absorber energía sin producir fisuras.
TRABAJABILIDAD. Característica que posee este material por la facilidad que ofrece al permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
ESTRUCTURAS CRISTALOGRÁFICAS
En el apartado de las estructuras cristalográficas por ejemplo tenemos:
Martensita. Los aceros con este tipo de estructura se caracterizan por ser los mas duros y mecánicamente resistentes, así como también los mas frágiles y menos dúctiles.
Ferrita. Este tipo de estructuras tienen alta permeabilidad magnética y esto les permite almacenar campos magnéticos con mas fuerza que el hierro.
Austenita. Esta estructura se caracteriza por ser dúctil, blanda y tenaz.
Colores del acero en función de la temperatura, esto quiere decir que según la temperatura a la que este sometida el acero ira variando en una gama de colores. cabe destacar que la temperatura de fusión del acero va a depender de la cantidad de carbono que tenga y va desde los 1400º C hasta los 1500º C. a continuación os dejo un tabla que relaciona la temperatura y el color que le corresponde.
De 550º C hacia abajo presenta un color negro.
De 550º C - 760º C color cereza mate.
De 760º C - 870º C color cereza.
De 871º C - 985º C color naranja.
De 1037º C - 1315º C color amarillo limón.
De 1315º C a mas color blanco.
EL ALUMINIO
El aluminio es un metal no férreo que comenzó utilizándose en la antigüedad en tintorería y medicina, con la forma de una sal doble conocida como "lumbre" que se sigue usando hoy en día. Conforme fueron pasando los años y con el desarrollo de la física y química en el año 1825, el físico danés Hans Christian Orsted, descubridor del electromagnetismo logro aislar por electrólisis unas primeras muestras pero bastante impuras, no fue hasta pasado dos años que se consiguió su aislamiento total por Friedrich Wöhler.
Los estudios posteriores demostraron que el aluminio era un elemento abundante pero su extracción a partir de las rocas fue una tarea ardua, tanto así que en el siglo
XIX, la producción era tan costosa que el aluminio llegó a considerarse un metal exótico de elevado precio y tan o mas preciado que la plata y el oro.
En el año
1886, el francés Paul Héroult y el norteamericano Charles Martin Hall, patentaron de forma independiente un proceso de extracción y tres años después en 1889, Karl Bayer patento un procedimiento para extraer la alúmina u oxido de aluminio a partir de la
bauxita, una roca natural. El desarrollo de estas nuevas técnicas la producción del aluminio se incremento vertiginosamente llegando en el año 1943, a una producción anual de
2 000 000 de toneladas y siguió en aumento, así se convirtió en el metal no férreo ms producido en la actualidad.
Las características del aluminio son:
FÍSICAS. Comencemos diciendo que es un elemento muy abundante en la naturaleza, solo por detrás del oxígeno. Es un metal ligero con una densidad de 2700 kg/m cúbicos , tienen un bajo punto de fusión 660º C, es de color blanco y refleja bien la radiación electromagnética, buen conductor eléctrico y térmico.
MECÁNICAS. Es un metal blando y maleable, resistencia a tracción en estado puro de 160-200 N/mm cuadrado. Adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas, pero no como elemento estructural, para mejorar estas propiedades se aléa con otros metales lo que permite realizar sobre el operaciones de fundición o forja así como la extracción del metal.
QUÍMICAS. La capa de valencia del aluminio cuenta con tres electrones, su estado de oxidación es tres, reacciona con el oxígeno formando una fina capa gris mate de alúmina que recubre el material aislándolo de corrosiones, el aluminio se disuelve con ácidos y bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido sódico.
PROPIEDADES DEL ALUMINIO
- Es buen conductor de la electricidad.
- Es un material maleable.
- Ligero.
- Punto de ebullición alto 2450º C.
- Tiene un color blanco, refleja bien la radiación electromagnética del espectro visible y el térmico.
Como ya os había mencionado es un tema muy extenso, con datos muy técnicos que nos servirán para entender mejor el origen de cada cosa y el comportamiento de estos cuando son sometidos a los diferentes tratamientos.
