Asdrúbal Valencia Giraldo - Ciencia de los metales

El acabado final puede incluir la galvanoplastia, la soldadura y otros procesos que requieren conocimiento de los mecanismos de corrosión y oxidación de los metales.

En vista del amplio alcance de la metalurgia, se comprende que sea necesario considerar secciones particulares de este campo tan extenso. Uno de ellos es la metalurgia física o ciencia de los metales.

La metalurgia física o ciencia de los metales

Esta es la parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura. En última instancia, la metalurgia física correlaciona el ordenamiento atómico y la microestructura del metal con sus propiedades físicas. Estas relaciones se pueden resumir a grosso modo en la tabla 0.1.

Tabla 0.1 Correlaciones en ciencia de los metales

De la tabla se deduce que al controlar el ordenamiento atómico y la microestructura se pueden controlar en algo las propiedades físicas del metal, especialmente las mecánicas. El metalurgista puede ejercer control sobre el ordenamiento y la microestructura, por medio de procesos como la fusión y solidificación, la conformación plástica, la aleación, el tratamiento térmico o la irradiación.

Así pues, uno de los principales objetivos de estas notas es dar bases teóricas que permitan entender cómo y por qué esos procesos controlan el ordenamiento atómico y la microestructura de la manera que lo hacen.

Debe entenderse con suma claridad que a pesar de sus fines prácticos últimos, la metalurgia física aislada es realmente la ciencia de los metales, porque es de gran contenido teórico; es la base científica de la metalurgia adaptiva y va de la mano de la física, pues estudia el metal como una sustancia, sin tener en cuenta su tamaño y su forma (características esenciales de los procesos industriales).

Es evidente que unas notas de ciencia de los metales no pueden producir especialistas en el uso de toda clase de metales. Sin embargo, es esencial en el conocimiento de los procesos y las aplicaciones de los metales; esto, porque las ideas básicas son pocas en realidad: estructura atómica y cristalina; comportamiento de las aleaciones según los diagramas de equilibrio; comprensión de la naturaleza de las propiedades, y una apreciación de las reacciones que ocurren en el estado sólido. Estos fundamentos permiten llegar a tener una competencia razonable en la aplicación de los metales a los problemas industriales específicos.

Debe tenerse en cuenta, además, que el metalurgista está capacitado para entender la naturaleza y las aplicaciones de los materiales no metálicos. Es por ello por lo que la ciencia de los metales es la base también de un campo todavía más amplio como es la ciencia de los materiales.

Propiedades de los metales

Una de las razones de la importancia de los metales es su disponibilidad, como se ve en la figura 0.1. La mayoría de los elementos de la tabla periódica son metales.

Figura 0.1 Metales en la tabla periódica

En la tabla 0.2 se aprecia la abundancia relativa de los elementos metálicos en la corteza terrestre y se observa que el metal que está más disponible es el Al, pero lejos de la gran cantidad de Si que existe.

Tabla 0.2 Abundancia relativa de algunos elementos

Según su definición convencional, “metal” es una sustancia química elemental opaca y lustrosa, que es buena conductora de la electricidad y el calor, y que al pulirse es buena reflectora de la luz. La mayoría de los metales son dúctiles y maleables y son más densos que otros elementos (como los elementos no metálicos mencionados en la figura 1.1). La explicación de estas propiedades y, en general, de los principios físicos del comportamiento metálico requiere una idea clara de lo que es el estado metálico, el cual, en última instancia, está determinado por el enlace entre los átomos del metal, es decir, por su estructura.

En este orden de ideas, se pretende hacer claridad sobre lo que significa la estructura de los metales y su relación con las propiedades, porque estas son muy peculiares y los han diferenciado desde hace siglos de las restantes sustancias. Así pues, los metales poseen una serie de propiedades (llamadas metálicas), las cuales, si bien no son exclusivas de ellos, las tienen en grado suficiente para caracterizarlos. Los principales atributos de los metales son:

1 Molécula monoatómica.

2 Muy poco reactivos con el H.

3 Se combinan con el O para formar los óxidos.

4 Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el Hg, y sus puntos de fusión y ebullición varían notablemente.

5 Las conductividades térmicas y eléctricas son muy elevadas.

6 Presentan brillo metálico.

7 Son dúctiles y maleables.

8 Pueden emitir electrones cuando reciben energía en forma de calor.

9 Tienden a perder electrones de sus últimas capas cuando reciben cuantos de luz (fotones), fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.

Este carácter especial de los metales es consecuencia de la naturaleza de sus átomos y sus enlaces, es decir, de su estructura.

De esta manera, se llama estructura de los metales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio, de los constituyentes de la materia en estado sólido (átomos, moléculas, cristales). La estructura determina el comportamiento del metal, por lo que es conveniente efectuar un estudio elemental de la misma en todos los niveles. Pero antes, es necesario precisar lo que se entiende por propiedades de los metales.

De todas las características de los metales se deben tener en cuenta aquellas de las cuales depende su utilidad. Dichas características son unas veces cualidades y otras veces defectos, y en algunos casos solo constantes físicas. Se pueden clasificar en varios grupos, según sus propiedades físicas, químicas, mecánicas, tecnológicas y dimensionales.

Por sus propiedades, los metales se pueden dividir en funcionales y estructurales. Son funcionales los que se utilizan por sus propiedades físicas y químicas, es decir, por las funciones que desempeñan respecto a distintos campos (ópticos, térmicos, magnéticos, eléctricos) o frente a otros materiales y ambientes. Son estructurales los que sirven para hacer todo tipo de estructuras y soportes, es decir, se utilizan por sus propiedades mecánicas.

Las propiedades de los metales puros son, generalmente, propiedades funcionales, en tanto que las aleaciones despliegan no solo propiedades funcionales, sino también estructurales, como es el caso del acero o las aleaciones de Cu y Al.