En esta entrada presentamos los metales, pero para entender su comportamiento a nivel atómico debemos primero introducir las bases de los enlaces atómicos. La gran mayoría de los elementos son inestables por naturaleza al no tener completa si capa de valencia, por ellos tienden a juntarse para adquirir formas estables juntos a otros elementos.
Podemos apreciar tres grandes tipos de enlaces: covalentes, iónicos y metálicos.
Los enlaces covalentes se caracterizan porque los átomos que lo realizan buscan compartir electrones unos con otros para alcanzar la estabilidad en su capa más externa al alcanzar el octeto de electrones pero sin llegar a ionizarse. Esto se debe a que la electronegatividad entre los átomos de la unión no es lo suficientemente elevada como para provocar la cesión de electrones. Este enlace suele darse entre no metales ya que su capa de valencia está próxima y no les conviene ceder electrones por lo que pueden juntarse átomos del mimo elemento o de elementos diferentes formando enlaces simples, dobles o triples hasta completar su capa externa.
El enlace iónico se realiza gracias al paso de electrones de valencia de un elemento de la molécula a otro. Esto se debe a que se juntan un elemento electropositivo (baja energía de ionización) y otro electronegativo (alta afinidad de electrones) de modo que el primero cede el electrón al segundo lo que los une fuertemente por magnetismo formando la molécula.
El enlace metálico: en este tipo de enlace se forman cristales a partir de los átomos que no comparten ni ceden electrones sino que éstos se encuentran en torno a los átomos formando una especie de nube electrónica que estabiliza la estructura participando como parte de todos los átomos y uniones. Por su parte, los cationes metálicos se organizan de forma que forman estructuras cristalinas complejas.
Como consecuencia de la nube de electrones libres de valencia encontramos las propiedades conductivas de la electricidad de los metales. Una corriente eléctrica es un flujo de electrones de valencia y al disponerse de forma libre entorno a la estructura cristalina, les resulta muy fácil desplazarse por ella de modo que la electricidad fluye con facilidad por los materiales metálicos.
Las principales características que presentan estos materiales son:
-Conductores de la electricidad.
-Conductores del calor.
-Maleabilidad, es decir, la capacidad de conformarlos en forma de lámina por compresión.
-Ductilidad, es decir, la capacidad de conformarlos en forma de hilo por tracción.
-Tenacidad, es decir, la capacidad de no fracturarse al sufrir golpes. Algunas aleaciones de los metales como las fundiciones no presentan esta propiedad.
-La resistencia mecánica es su capacidad para soportar esfuerzos mecánicos tales como la tracción, compresión, cizallamiento, torsión o flexión sin sufrir alteraciones.
-Opacidad y brillo metálico gracias al reflejo de fotones que provoca la nube de electrones.
-Alta densidad, al juntarse los cationes de los cristales.
-Dureza, por lo general aunque alguno metales no cuentan con una gran dureza como el aluminio o el plomo.
-Sólidos a temperatura de ambiente excepto el mercurio y el galio.
-Son aleables, es decir, se pueden mezclar unos con otros para formar nuevas formas.
-Oxidación. Todos los metales se oxidan aunque algunos forman una capa de óxido limpia y brillante además de hipoalergénica por lo que tienen grandes aplicaciones médicas.
-Elasticidad, es decir, la capacidad de deformarse y recuperar su forma original
-Plasticidad, es decir, la capacidad de deformarse sin llegar a romperse y mantener la forma dada.
La metalografía es la ciencia que se encarga del estudio de la estructura, composición y propiedades de los metales y sus aleaciones a nivel microscópico. En definitiva, estudia las características estructurales de un metal o aleación y las relaciones con sus propiedades físicas y mecánicas.
Una de las operaciones más comunes de la observación metalográfica es la determinación del tamaño del grano pues nos dará información representativa del material ya que un grano fino poseerá buenas propiedades mecánicas y buena tenacidad. El grano no es sino la forma en que los cristales del metal se han agrupado durante su formación sólida. Para poder estudiar el grano de un material debemos realizar la extracción y preparación de una probeta empezando por cortarla en una cortadora metalográfica que haga un corte limpio y montándola, por lo general en una base de baquelita para un mejor estudio y manejo. A continuación se procedera al desbaste y pulido para dejar el metal íntegro al descubierto para proceder seguido a un ataque químico que acentúe las líneas entre los granos. Así se vio la relación entre el grano y las propiedades mecánicas y se recurre a procesos de tratamiento de los metales para cambiar su estructura cristalina y tamaño de grano como son el temple, recocido, revenido, etc.
Sin embargo, la característica estructural de los metales era que formaban estructuras cristalinas que son las que al juntarse forman los granos. Los cristales son estructuras fijas y estables que forman grandes mayas repitiéndose un cristal sobre otro formando una cadena. Sin embargo, estas formaciones no son aleatorias sino que atienden a unas razones como pueden ser la presión, temperatura y la velocidad a la que estas varían, de este modo forman varios tipos de cristales de los que cabe destacar por su frecuencia e importancia:
-Cúbica simple (CS): formada por ocho átomos en las ocho esquinas de un tetraedro perfecto y en su interior contiene uno al albergar una octaba parte de cada uno de ellos.
-Cúbica centrada en el cuerpo (CC): en inglés Body Centred Cubic(BCC) está formada por nueve átomos, Se trata de una CS que alberga un noveno átomo en el centro del cubo por lo que esta estructura está constituida por 2 átomos, el central completo más las ocho octavas partes de los átomos de las esquinas.
-Cúbica centrada en la caras (CCC): en inglés Face Centred Cubic(FCC) está formada por 14 átomos, ocho en las esquinas y seis en las caras. De este modo entre los ocho octavos de los átomos de las esquinas y las seis mitades de los átomos de las caras, en su interior este cristal alberga la masa de cuatro átomos.
-Tetragonal simple (TS).
-Tetragonal centrada en el cuerpo (TC).
-Hexagonal simple (HS): esta estructura la forman doce átomos de los cuales contiene la masa únicamente de tres.
-Hexagonal compacta (HC): esta estructura además de los doce átomos de las esquinas dispone de dos más en sus bases y tres en triángulo en mitad del cuerpo albergando en su interior el total de la masa de seis átomos.
Una de las principales característica de los metales era su densidad derivada de lo compacto de su estructura cristalina. La densidad es la relación entre la masa de un elemento y su volumen y se expresa en gramos por centímetro cúbico. En base a esta densidad podemos clasificar los metales como pesados (por encima de 5gr/cm3) o ligeros (por debajo de 5gr/cm3).
Por otra parte hay que entender que el estudio de los metales se realiza con el fin de emplearlos en la producción por lo que debemos tomar en consideración su importancia industrial.
El magnesio se emplea últimamente mucho en automoción debido a que manteniendo buenas propiedades mecánicas supone un gran ahorro de peso.
Cromo, níquel y molibdeno se emplean en abundancia como aleantes del acero para producir acero inoxidable.
El cobre se emplea mucho para cableado eléctrico gracias a su gran conductividad eléctrica solo superada por el oro y la plata demasiado caros para emplearlos en este fin.
El cobalto es un metal muy duro normalmente empleado como aleante para la producción de brocas y fresas de acero rápido.
El wolframio (tungsteno) se emplea como aleante también para obtener dureza en los acero pero sin embargo su mayor aplicación es formar el filamento en las bombillas de incandescencia debido a su punto de fusión a 3422ºC.
El titanio es un metal muy extendido en cirugía reconstructiva por su ligereza y propiedades hipoalergénicas.
El acero es una aleación de hierro y carbono con este segundo en una proporción de masa entre el 0.008% y el 1.76%. Si el porcentaje de carbono se encuentra entre 1.76% y 6.67% entonces hablamos de fundición. Los primeros útiles de hierro datan del 3000a.C. en Egipto pero no se vieron piezas de acero hasta el 1400a.C. en el este de África y no se conoce su uso de forma controlada hasta alrededor del 1000a.C. por los griegos suponiendo un gran avance en la carrera armamentísticas. En el siglo IX y X se produjo el acero de crisol a base de calentar y enfriar el acero y carbono pero no fue hasta 1740 cuando se empezaron a producir estos aceros.
En 1878 Siemens desarrolló por primera vez la técnica de horno de arco eléctrico pero el verdadero avance en la producción de acero se produjo en 1950 con la colada continua donde el acero fundido en el alto horno pasa a la laminación o se vierte del crisol o una cuchara al molde suponiendo una forma rápida y sencilla de producción a gran volumen suponiendo un bum en la industria.
Para producir el acero necesitamos alear hierro con carbono, pero el hierro en la naturaleza se encuentra en forma de mineral de hierro el cual presenta muchos óxidos y metales en forma de impurezas que hay que separar para poder llevarlo a producción.
Entre sus propiedades hay que destacar muchas propias de los materiales metálicos como son la resistencia mecánica, elasticidad, ductilidad, maleabilidad, tenacidad, dureza, aleabilidad, soldabilidad y conductividad.
Por otra parte, su estructura cristalina y granular se ve afectada por el porcentaje de carbono apreciando las siguientes formas con sus combinaciones:
-Ferrita: se trata de hierro alfa o hierro puro.
-Cementita: es acero con un porcentaje en carbono superior al 6.67%
-Austenita: es un tipo de estructura formada por aceros de entre 0.008% y 0.25% de carbono a unas temperaturas de entre 1400ºC y 1490ºC.
-Perlita: también conocida como eutéctica, es la estructura que forma el acero al combinar ferrita y cementita en una proporción respectivamente del 86.5% y 13.5%.
Además el acero tiene la característica de ir cambiando de color en función de su temperatura de modo que resulta sencillo trabajarlo a altas temperaturas facilitando los tratamientos térmicos, la forja y soldeo.
Así vemos cómo el acero pasa de su gris mate tornándose rojo hasta alcanzar el rojo cereza a unos 900ºC ó 950ºC perfecto para ser trabajado cambiando a naranja y amarillo hasta unos 1000ºC siendo ya extremadamente sencillo trabajarlo siendo muy fácil provocar deformaciones no deseadas. Es alrededor de los 1200ºC cuando el acero se torna blanco.
El aluminio no fue identificado como tal hasta 1809 y durante el siglo XIX su producción fue muy reducida al tener que obtenerse reduciendo con sodio el cloruro de aluminio por lo que se consideraba un metal exótico empleado para la producción de joyas. En 1889 Karl bayer patentó el método para obtener la alúmina a partir de la bauxita con lo que la producción se disparó y actualmente y desde 1960 la mayor parte del aluminio se recicla.
El aluminio es el segundo material más abundante en la naturaleza y es un metal muy ligero con un peso específico de tan solo 2,7gm/cm3 de un color blanco y un punto de fusión en los 600ºC. Este metal se oxida con mucha rapidez formando en su exterior una capa de alúmina que lo aísla y protege de otros ataques químicos y sus principales características son:
-Baja densidad.
-Bajo punto de fusión.
-Alta capacidad de oxidación.
-Buen conductor de la electricidad.
-Ductilidad.
-Maleabilidad.
Desde el punto de vista estructural el aluminio tiene una gran peculiaridad y es que su estructura cristalina CCC no se ve alterada por los cambios de temperatura que sufra lo que lo vuelve extremadamente difícil de soldar, al mantenerse sólido hasta justo antes de su licuación sin pasar por un estado pastoso.
Y hasta aquí llega la entrada sobre el maravilloso mundo de los metales que nos han permitido llevar a cabo grandes avances en la industria y la ingeniería gracias a sus grandes propiedades como la soldabilidad y la conductividad eléctrica.
Un saludo, Luis Vallejo López, administrador del blog.
El enlace iónico se realiza gracias al paso de electrones de valencia de un elemento de la molécula a otro. Esto se debe a que se juntan un elemento electropositivo (baja energía de ionización) y otro electronegativo (alta afinidad de electrones) de modo que el primero cede el electrón al segundo lo que los une fuertemente por magnetismo formando la molécula.
El enlace metálico: en este tipo de enlace se forman cristales a partir de los átomos que no comparten ni ceden electrones sino que éstos se encuentran en torno a los átomos formando una especie de nube electrónica que estabiliza la estructura participando como parte de todos los átomos y uniones. Por su parte, los cationes metálicos se organizan de forma que forman estructuras cristalinas complejas.
Como consecuencia de la nube de electrones libres de valencia encontramos las propiedades conductivas de la electricidad de los metales. Una corriente eléctrica es un flujo de electrones de valencia y al disponerse de forma libre entorno a la estructura cristalina, les resulta muy fácil desplazarse por ella de modo que la electricidad fluye con facilidad por los materiales metálicos.
Las principales características que presentan estos materiales son:
-Conductores de la electricidad.
-Conductores del calor.
-Maleabilidad, es decir, la capacidad de conformarlos en forma de lámina por compresión.
-Ductilidad, es decir, la capacidad de conformarlos en forma de hilo por tracción.
-Tenacidad, es decir, la capacidad de no fracturarse al sufrir golpes. Algunas aleaciones de los metales como las fundiciones no presentan esta propiedad.
-La resistencia mecánica es su capacidad para soportar esfuerzos mecánicos tales como la tracción, compresión, cizallamiento, torsión o flexión sin sufrir alteraciones.
-Opacidad y brillo metálico gracias al reflejo de fotones que provoca la nube de electrones.
-Alta densidad, al juntarse los cationes de los cristales.
-Dureza, por lo general aunque alguno metales no cuentan con una gran dureza como el aluminio o el plomo.
-Sólidos a temperatura de ambiente excepto el mercurio y el galio.
-Son aleables, es decir, se pueden mezclar unos con otros para formar nuevas formas.
-Oxidación. Todos los metales se oxidan aunque algunos forman una capa de óxido limpia y brillante además de hipoalergénica por lo que tienen grandes aplicaciones médicas.
-Elasticidad, es decir, la capacidad de deformarse y recuperar su forma original
-Plasticidad, es decir, la capacidad de deformarse sin llegar a romperse y mantener la forma dada.
La metalografía es la ciencia que se encarga del estudio de la estructura, composición y propiedades de los metales y sus aleaciones a nivel microscópico. En definitiva, estudia las características estructurales de un metal o aleación y las relaciones con sus propiedades físicas y mecánicas.
Una de las operaciones más comunes de la observación metalográfica es la determinación del tamaño del grano pues nos dará información representativa del material ya que un grano fino poseerá buenas propiedades mecánicas y buena tenacidad. El grano no es sino la forma en que los cristales del metal se han agrupado durante su formación sólida. Para poder estudiar el grano de un material debemos realizar la extracción y preparación de una probeta empezando por cortarla en una cortadora metalográfica que haga un corte limpio y montándola, por lo general en una base de baquelita para un mejor estudio y manejo. A continuación se procedera al desbaste y pulido para dejar el metal íntegro al descubierto para proceder seguido a un ataque químico que acentúe las líneas entre los granos. Así se vio la relación entre el grano y las propiedades mecánicas y se recurre a procesos de tratamiento de los metales para cambiar su estructura cristalina y tamaño de grano como son el temple, recocido, revenido, etc.
Sin embargo, la característica estructural de los metales era que formaban estructuras cristalinas que son las que al juntarse forman los granos. Los cristales son estructuras fijas y estables que forman grandes mayas repitiéndose un cristal sobre otro formando una cadena. Sin embargo, estas formaciones no son aleatorias sino que atienden a unas razones como pueden ser la presión, temperatura y la velocidad a la que estas varían, de este modo forman varios tipos de cristales de los que cabe destacar por su frecuencia e importancia:
-Cúbica simple (CS): formada por ocho átomos en las ocho esquinas de un tetraedro perfecto y en su interior contiene uno al albergar una octaba parte de cada uno de ellos.
-Cúbica centrada en el cuerpo (CC): en inglés Body Centred Cubic(BCC) está formada por nueve átomos, Se trata de una CS que alberga un noveno átomo en el centro del cubo por lo que esta estructura está constituida por 2 átomos, el central completo más las ocho octavas partes de los átomos de las esquinas.
-Cúbica centrada en la caras (CCC): en inglés Face Centred Cubic(FCC) está formada por 14 átomos, ocho en las esquinas y seis en las caras. De este modo entre los ocho octavos de los átomos de las esquinas y las seis mitades de los átomos de las caras, en su interior este cristal alberga la masa de cuatro átomos.
-Tetragonal simple (TS).
-Tetragonal centrada en el cuerpo (TC).
-Hexagonal simple (HS): esta estructura la forman doce átomos de los cuales contiene la masa únicamente de tres.
-Hexagonal compacta (HC): esta estructura además de los doce átomos de las esquinas dispone de dos más en sus bases y tres en triángulo en mitad del cuerpo albergando en su interior el total de la masa de seis átomos.
Una de las principales característica de los metales era su densidad derivada de lo compacto de su estructura cristalina. La densidad es la relación entre la masa de un elemento y su volumen y se expresa en gramos por centímetro cúbico. En base a esta densidad podemos clasificar los metales como pesados (por encima de 5gr/cm3) o ligeros (por debajo de 5gr/cm3).
Por otra parte hay que entender que el estudio de los metales se realiza con el fin de emplearlos en la producción por lo que debemos tomar en consideración su importancia industrial.
El magnesio se emplea últimamente mucho en automoción debido a que manteniendo buenas propiedades mecánicas supone un gran ahorro de peso.
Cromo, níquel y molibdeno se emplean en abundancia como aleantes del acero para producir acero inoxidable.
El cobre se emplea mucho para cableado eléctrico gracias a su gran conductividad eléctrica solo superada por el oro y la plata demasiado caros para emplearlos en este fin.
El cobalto es un metal muy duro normalmente empleado como aleante para la producción de brocas y fresas de acero rápido.
El wolframio (tungsteno) se emplea como aleante también para obtener dureza en los acero pero sin embargo su mayor aplicación es formar el filamento en las bombillas de incandescencia debido a su punto de fusión a 3422ºC.
El titanio es un metal muy extendido en cirugía reconstructiva por su ligereza y propiedades hipoalergénicas.
El acero es una aleación de hierro y carbono con este segundo en una proporción de masa entre el 0.008% y el 1.76%. Si el porcentaje de carbono se encuentra entre 1.76% y 6.67% entonces hablamos de fundición. Los primeros útiles de hierro datan del 3000a.C. en Egipto pero no se vieron piezas de acero hasta el 1400a.C. en el este de África y no se conoce su uso de forma controlada hasta alrededor del 1000a.C. por los griegos suponiendo un gran avance en la carrera armamentísticas. En el siglo IX y X se produjo el acero de crisol a base de calentar y enfriar el acero y carbono pero no fue hasta 1740 cuando se empezaron a producir estos aceros.
En 1878 Siemens desarrolló por primera vez la técnica de horno de arco eléctrico pero el verdadero avance en la producción de acero se produjo en 1950 con la colada continua donde el acero fundido en el alto horno pasa a la laminación o se vierte del crisol o una cuchara al molde suponiendo una forma rápida y sencilla de producción a gran volumen suponiendo un bum en la industria.
Para producir el acero necesitamos alear hierro con carbono, pero el hierro en la naturaleza se encuentra en forma de mineral de hierro el cual presenta muchos óxidos y metales en forma de impurezas que hay que separar para poder llevarlo a producción.
Entre sus propiedades hay que destacar muchas propias de los materiales metálicos como son la resistencia mecánica, elasticidad, ductilidad, maleabilidad, tenacidad, dureza, aleabilidad, soldabilidad y conductividad.
Por otra parte, su estructura cristalina y granular se ve afectada por el porcentaje de carbono apreciando las siguientes formas con sus combinaciones:
-Ferrita: se trata de hierro alfa o hierro puro.
-Cementita: es acero con un porcentaje en carbono superior al 6.67%
-Austenita: es un tipo de estructura formada por aceros de entre 0.008% y 0.25% de carbono a unas temperaturas de entre 1400ºC y 1490ºC.
-Perlita: también conocida como eutéctica, es la estructura que forma el acero al combinar ferrita y cementita en una proporción respectivamente del 86.5% y 13.5%.
Además el acero tiene la característica de ir cambiando de color en función de su temperatura de modo que resulta sencillo trabajarlo a altas temperaturas facilitando los tratamientos térmicos, la forja y soldeo.
Así vemos cómo el acero pasa de su gris mate tornándose rojo hasta alcanzar el rojo cereza a unos 900ºC ó 950ºC perfecto para ser trabajado cambiando a naranja y amarillo hasta unos 1000ºC siendo ya extremadamente sencillo trabajarlo siendo muy fácil provocar deformaciones no deseadas. Es alrededor de los 1200ºC cuando el acero se torna blanco.
El aluminio no fue identificado como tal hasta 1809 y durante el siglo XIX su producción fue muy reducida al tener que obtenerse reduciendo con sodio el cloruro de aluminio por lo que se consideraba un metal exótico empleado para la producción de joyas. En 1889 Karl bayer patentó el método para obtener la alúmina a partir de la bauxita con lo que la producción se disparó y actualmente y desde 1960 la mayor parte del aluminio se recicla.
El aluminio es el segundo material más abundante en la naturaleza y es un metal muy ligero con un peso específico de tan solo 2,7gm/cm3 de un color blanco y un punto de fusión en los 600ºC. Este metal se oxida con mucha rapidez formando en su exterior una capa de alúmina que lo aísla y protege de otros ataques químicos y sus principales características son:
-Baja densidad.
-Bajo punto de fusión.
-Alta capacidad de oxidación.
-Buen conductor de la electricidad.
-Ductilidad.
-Maleabilidad.
Desde el punto de vista estructural el aluminio tiene una gran peculiaridad y es que su estructura cristalina CCC no se ve alterada por los cambios de temperatura que sufra lo que lo vuelve extremadamente difícil de soldar, al mantenerse sólido hasta justo antes de su licuación sin pasar por un estado pastoso.
Y hasta aquí llega la entrada sobre el maravilloso mundo de los metales que nos han permitido llevar a cabo grandes avances en la industria y la ingeniería gracias a sus grandes propiedades como la soldabilidad y la conductividad eléctrica.
Un saludo, Luis Vallejo López, administrador del blog.
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