Características por su Metalurgia de los Materiales

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MATERIALES METÁLICOS

Desde la antigüedad los metales han llamado la atención del ser humano por sus propiedades que los diferenciaban de otros materiales usados anteriormente, como la madera que encontraban de forma natural en los árboles, el barro que moldeaban al mezclarlo con agua y dejándolo secar al aire o fuego, las piedras que tallaban a las formas deseadas, los huesos y pieles de animales y otros materiales que encontraban de forma natural.

El descubrimiento de los metales y el desarrollo de su fusión, moldeado y trabajo para conformar herramientas, utensilios y armas supuso nuevas eras en nuestra historia: las edades del bronce y del hierro.

Los metales supusieron un enorme avance desde entonces hasta nuestra época actual.

Su uso en el transporte, en infraestructuras de todo tipo, agricultura, utensilios, herramientas, mobiliario, maquinaria, joyería, etc.,  nos permite disfrutar de las comodidades que nos ofrece la sociedad avanzada.

Sus propiedades, diferentes a las de los materiales que se usaban antes de su descubrimiento, y que atrajeron ya a los hombres en la antigüedad fueron su brillo, su resistencia al calor y fuego, a golpes y a trabajo, su capacidad de poder conformarse y unirse entre sí.

Estas propiedades siguen siendo fundamentales hoy en día, a las que se han unido su conductividad térmica y eléctrica, su elasticidad, y la gran variedad de aleaciones en las que se optimizan las propiedades deseadas en una gran variedad de aplicaciones.

Desde la antigüedad los metales han llamado la atención del ser humano por sus propiedades que los diferenciaban de otros materiales usados anteriormente, como la madera que encontraban de forma natural en los árboles, el barro que moldeaban al mezclarlo con agua y dejándolo secar al aire o fuego, las piedras que tallaban a las formas deseadas, los huesos y pieles de animales y otros materiales que encontraban de forma natural.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES

El comportamiento y características de los materiales tiene su fundamento en su estructura molecular, la cual depende de los átomos que la componen y de su ordenamiento en dicha estructura.

Los materiales metálicos se distinguen por presentar sus átomos unas estructuras cristalinas cuando se encuentran en estado sólido, las cuales se caracterizan por presentar una disposición específica de los átomos en estructuras características.
En la imagen anterior vemos cómo los átomos de un metal se sitúan en formas geométricas.
Las formas geométricas que más comúnmente adoptan son el cubo y el hexágono. También podemos encontrar tetraedros, y formas más complejas.
En estas formas geométricas encontramos que hay átomos en cada vértice del poliedro, y además podemos encontrar bien un átomo en el centro de cada una de las caras del mismo, o bien en el centro de la forma.
El poliedro así compuesto puede considerarse una “celda”, la cual tendrá celdas de átomos ordenados de igual forma a todo su alrededor.
Es decir, las celdas de átomos se van superponiendo a nivel tridimensional, formando redes del poliedro (cubo, hexágono, …) idénticos que se extienden en las tres direcciones del espacio.
Esta ordenación de los átomos en los metales, CRISTALES, es la causa de su brillo: reflejan la luz cuando incide sobre ellos.
Si una pieza de metal de una cierta microestructura tuviera todos sus átomos ordenados en una misma dirección, al incidir la luz sobre ellos a nivel microscópico veríamos una superficie plana. Pero la dirección de los átomos no se mantiene constante en toda la pieza de metal que observamos. Debido a la presencia de impurezas, discontinuidades, átomos diferentes, …, la dirección de ordenación de los átomos cambia.
En el momento en que se produce un cambio de dirección de un grupo de celdas atómicas, cada una de las agrupaciones en las que los átomos se orientan en la misma dirección, forma lo que conocemos como un “grano” microestructural. Entre los diferentes “granos” se observan los límites de grano.
En Metalurgia es extremadamente útil la ciencia de la METALOGRAFÍA. Esta ciencia se basa en que las estructuras cristalinas tienen capacidad de reflejar la luz. Si se pule de forma adecuada una superficie metálica, hasta obtener un “brillo espejo”, y dicha superficie se observa al microscopio con una luz incidiendo sobre la misma, tras atacar con ácidos adecuados (ataque ácido) que oscurecen de forma diferente cada una de las diferentes estructuras cristalinas, se pueden observar, dependiendo de los aumentos a los que se observe, los diferentes “granos microestructurales”.
Al microscopio, con esta ciencia, se pueden observar e interpretar las diferentes estructuras cristalinas, según la coloración y formas geométricas que producen.
En las imágenes se muestra la observación al microscopio de un metal pulido y atacado para su estudio metalográfico, y un ejemplo de cómo se observa al microscopio una superficie de estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, en la que las líneas son los diferentes “límites de grano” y las zonas blancas con diferentes geometrías son los “granos”.

Las estructuras que encontramos en los materiales metálicos más comunes son las siguientes:

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (en inglés Face Cubic Centered = FCC)

Los átomos de metal se encuentran en celdas cúbicas en las que cada átomo ocupa uno de los vértices de un cubo y además un átomo centra cada una de las caras de un cubo.

Esta estructura recibe el nombre de estructura AUSTENÍTICA, y se representa con la letra griega γ  (gamma), con lo que también se le conoce como estructura gammágena.
Las características y propiedades de los metales que se encuentran en esta estructura cristalina son fundamentalmente las siguientes:
  • Elevados espacios intersticiales. Esto es debido a que el tamaño de cada celda es grande, hasta el punto de permitir alojar un átomo en cada una de sus caras.  Esto da lugar a la posibilidad de insertar átomos más pequeños. Estos elementos como el C, P, S y otros pueden causar varios efectos y consecuencias en esta estructura, y fundamentalmente si la misma se transforma a estructuras más rígidas con menor espacio inter-atómico, como veremos más adelante (Ferrita, Martensita o Bainita).
  • Posibilidad de cambio de átomos de Fe por átomos de tamaño similar, lo cual da lugar a una amplia gama de aleaciones con diferentes propiedades según los elementos que se combinen.
  • Amagnética
  • Mayor posibilidad de deformación plástica. Es una estructura más maleable, dúctil, en general, trabajable mecánicamente sin riesgo de rotura.

Existen metales que tienen una misma estructura independientemente de a qué temperatura se encuentren en estado sólido. Algunos ejemplos:
  • El Cobalto (Co), el Níquel (Ni), el Oro (Au), la Plata (Ag) y otros metales cuando están en estado sólido tienen sus átomos organizados en estructura cúbica centrada en las caras. Estos metales son pues clasificados como metales “Austeníticos” y sus átomos son elementos “gammágenos”.

Si observamos estos metales con metalografía veríamos una imagen similar ésta.

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (en inglés Body Cubic Centered = BCC)

Los átomos de metal se encuentran en celdas cúbicas, en las que cada átomo ocupa uno de los vértices de un cubo y un átomo adicional en el centro de dicho cubo.

Esta estructura recibe el nombre de estructura FERRÍTICA, y se representa con la letra griega α (alfa), con lo que también se le conoce como estructura alfágena.

Las características y propiedades de los metales que se encuentran en esta estructura cristalina son fundamentalmente las siguientes:

  • Estructura del Acero a Menor Temperatura o bien si existe combinación con elementos alfágenos (Mo, Cr, V, Ti, Zr, …)
  • Pequeños espacios entre los átomos (la estructura es mucho más compacta que la austenítica): Riesgo al enfriar rápidamente estructuras austeníticas con elevado contenido de impurezas.
  • Posibilidad de cambio de átomos de Fe por átomos de tamaño similar
  • Mayor Resistencia Mecánica y Límite Elástico. Mayor “Rigidez”
  • Magnética
 Si observamos con “Metalografía” la superficie de un material ferrítico, los granos se revelarían tal como se muestra en la imagen.
Algunos metales que presentan esta estructura, a cualquier temperatura en su estado sólido son:
  • El Cromo (Cr), Titanio (Ti), Zirconio (Zr), Vanadio (V), Molibdeno (Mo) y otros metales.
  • Estos metales son pues clasificados como metales “Ferríticos” y sus átomos como elementos “alfágenos”.

Transformación de estructuras

Otros metales en cambio, tienen una cierta estructura a una cierta temperatura, y, al sobrepasar una temperatura concreta, o temperatura de transición, los átomos cambian su organización transformándose a otra estructura cristalina diferente.
El ejemplo más común y útil además para comprender los fenómenos metalúrgicos, es el Hierro (Fe):

Si seguimos la línea de abcisas (el eje Y), en la que encontramos el comportamiento del hierro puro:

  • Los átomos de Fe a una temperatura superior a su punto de fusión que es de 1536ºC, no se ordenan de forma concreta, se encuentran en estado líquido. Cuando la temperatura desciende por debajo de 1536ºC el Fe solidifica ordenándose sus átomos en una estructura Ferrítica de Alta Temperatura, que se representa en este caso por la letra griega δ (delta). La única diferencia con la estructura a es que los átomos tienen una gran distancia entre ellos, pues el hierro se encuentra aún a alta temperatura y por tanto, muy dilatado (con mínima densidad).
  • Cuando, de forma muy lenta (enfriamiento en equilibrio) el hierro se va enfriando, y alcanza la temperatura de 1392ºC, los átomos, que a medida que se enfría el metal van acercando su distancia (el hierro se contrae), cambian su ordenación para formar cubos centrados en cada una de las caras de esos cubos, por lo tanto, se transforman en una estructura austenítica γ.
  • Si el enfriamiento del hierro sigue produciéndose de forma muy lenta, la distancia entre los átomos sigue disminuyendo, y, cuando se alcanza una temperatura de 911ºC, los átomos vuelven a transformar su estructura a una estructura mucho más compacta, cúbica centrada en el cuerpo, o estructura ferrítica α. Esta estructura se mantiene hasta que el hierro está completamente frío.
Adicionalmente a estas consideraciones, los metales tienen la capacidad de poderse mezclar, mientras se encuentran en estado líquido, con otros metales y átomos no metálicos.
En realidad, es difícil encontrar metales completamente puros, sino que ya durante su producción, en su composición, contienen impurezas y mezclas, las cuales pueden ser bien otros elementos metálicos como elementos no metálicos (Azufre (S), fósforo (P), Silicio (Si), …).
Por otro lado, durante la producción de los metales, se introducen también elementos gaseosos que pueden provenir del aire o del ambiente en el recipiente de producción (Oxígeno (O), Hidrógeno proveniente de humedad (H), Nitrógeno (N),…) y también se introducen otros elementos con fines de mejora o variación de las propiedades que se pretenden conseguir (Manganeso (Mn), Carbono (C),…).
Cada uno de los elementos que se introduce en la estructura cristalina del metal puede variar la organización de la estructura cristalina y, sobre todo, las temperaturas a las que las estructuras se transforman.
Para comprender en parte la capacidad de combinación de diferentes elementos en una estructura cristalina, el tamaño de los átomos tiene una considerable importancia. Los átomos pequeños suelen ocupar espacios inter-atómicos:
  • Los átomos más pequeños pueden tener movilidad dentro de la estructura y, sobre todo cuando la misma se encuentre a elevada temperatura, y por tanto los espacios son mayores pues el metal esté más dilatado, pueden acumularse formando segregaciones o “precipitados”.
  • Los átomos más grandes, similares a los del metal en los que se integran en la estructura substituirán en su posición al átomo del metal con el que se combinan.
  • Cuando la estructura con átomos pequeños se enfría o varía su temperatura, las acumulaciones de átomos pequeños pueden producir problemas, como endurecimientos locales (por ejemplo, formación de carburos), segregaciones que pueden ser peligrosas por disminución drástica de temperaturas de fusión (fenómeno eutéctico), o elevadas presiones en el caso de acumulaciones gaseosas, el caso más grave, la acumulación de hidrógeno atómico (H).

Otras estructuras cristalinas

Algunos metales presentan una estructura similar a la descrita, aunque no siempre sea una estructura cúbica.
Un ejemplo es el ALUMINIO, el cual presenta, a cualquier rango de temperatura una estructura HEXAGONAL CENTRADA EN EL CUERPO, la cual tiene un comportamiento muy similar a la austenita.
Esta estructura no transforma según la temperatura, por lo que las propiedades del aluminio se mantienen muy similares independientemente de la temperatura de servicio (elevada, pero sin acercarnos a su punto de fusión, o a muy baja temperatura, incluso criogénica).

APLICACIONES DE LOS METALES POR SUS CARACTERÍSTICAS

Más del 75% de los elementos de la tabla periódica son metales.

Podemos encontrar metales en la gran mayoría de aplicaciones de nuestra vida cotidiana. También en aplicaciones que no vemos, pero que facilitan que disfrutemos de la vida moderna: infraestructuras, transporte, plantas energéticas, distribución de energía, maquinaria, industria, herramientas,…

Lo difícil es pensar en una actividad en la que no intervengan uno o varios metales.

A continuación sólo se muestran unos ejemplos que nos ayudan a concienciarnos de la presencia de los metales.

Es extraño en cambio, que los conozcamos tan poco. Quizá, tras este curso aprecies sus magníficas propiedades que les han hecho tan imprescindibles para la humanidad desde su descubrimiento.

El acero, aleación de hierro, carbono y otros elementos es el metal más utilizado.

Es el metal más utilizado por ser el hierro uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, y por la enorme variedad de propiedades que se pueden conseguir en las diferentes aleaciones de acero desarrolladas hasta la actualidad.

El cobre y sus aleaciones, bronces (aleaciones con Sn, Al,…) y latones (aleaciones con Zn), encuentran aplicaciones relacionadas con su conductividad térmica y eléctrica así como su resistencia a oxidación por su nobleza.

El aluminio, descubierto más recientemente (siglo XIX), tiene multitud de aplicaciones relacionadas con su resistencia a oxidación, elevada conductividad, baja densidad (ligereza) y estabilidad estructural a cualquier temperatura del rango de su estado sólido.

El oro, el metal más apreciado por los humanos desde su descubrimiento, además de su uso en ornamentación encuentra aplicaciones relacionadas con su nobleza pues es casi indestructible en cualquier ambiente. Su elevada conductividad térmica y eléctrica son otras propiedades esenciales en su uso.

El oro está considerado como el valor asociado a la economía.

El platino, además de su valor en joyería, tiene aplicaciones industriales gracias a su incluso mayor nobleza que el oro

El titanio encuentra uso estructural y en fabricación de elementos de maquinaria gracias a su gran resistencia, su nobleza y su ligereza.

El mercurio, uno de los pocos metales que se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente, encuentra múltiples aplicaciones en medicina y de material quirúrgico.

También en fabricación de cristales exquisitos.

La plata, también valor cotizable, encuentra aplicación en joyería y enseres.

Es esencial en radiografía y fotografía y tiene múltiples usos en medicina, circuitos eléctricos y soldadura.

FIN DEL TEMA

Como ves, todos los temas de los Fundamentos de la Metalurgia aplicados a la Soldadura, están relacionados.

Sólo tendrás un conocimiento completo tras finalizar los temas del curso y, por supuesto, irás ganando con la experiencia y el estudio continuado.

Si has entendido los conceptos de este tema, no olvides dar a COMPLETAR en la parte superior del tema.

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