Asdrúbal Valencia Giraldo - Ciencia de los metales

William Hume-Rothery (1926) fijó las reglas de la solubilidad sólida; Fritz Laves descubrió las fases que llevan su nombre y Kubaschewski (1931) demostró que las soluciones sólidas se ionizan.

Hacia 1939 se inició la microscopía electrónica. Entre 1930 y 1936, Jakov Frenkel, Carl Wagner y Walter H. Schotty postularon defectos en la red cristalina —vacancias, intersticiales y combinaciones de estos—, los llamados defectos puntuales.

A partir de los trabajos de Tamman, Volmer inició, en 1926, la teoría de la nucleación. El endurecimiento por envejecimiento fue observado por Wiln en 1906, explicado teóricamente por Paul Merica, Romaine George Waltenberg y Howard Scott en 1919, y confirmado por Andrés Guinier y George Preston en 1937-1939.

La plasticidad de los cristales metálicos fue estudiada por Michael Polanyi, Erich Schmid y Walter Boas (1935). Michael Polanyi, Egon Orowan y Geoffrey Ingram Taylor postularon las dislocaciones en 1935, en tanto que Alan Arnold Griffith había iniciado la teoría de la fractura desde 1920.

Maunsel White y Fredrick Taylor desarrollaron los aceros de dureza en rojo (1900), y Benno Strauss y Harry Brearly, los aceros inoxidables, en 1910-1912.

El ensayo de los materiales se mejoró con el durómetro Brinell en 1900, el Rockwell (1919) y el Vickers (1924). Edwin Gilbert Izod (1903) y Georges Charpy (1901) iniciaron el ensayo de impacto.

La cinética de las transformaciones de fase permitió establecer el mecanismo de las transformaciones y elaborar la teoría de los tratamientos térmicos del acero y otras aleaciones importantes. Tales estudios fueron impulsados por Steinberg (Unión Soviética), Edgar Bain y Edmund S. Davenport (Estados Unidos) y Weler (Alemania). La transformación martensítica fue estudiada por Kurdjumov y Sachs.

Hacia 1940, la guerra interrumpió el tren de desarrollo que traía la metalurgia, pero después de su finalización se siguió con renovado brío.

Bruce Chalmers (c. 1948) estudió la solidificación y los granos que se forman; William Gardner Pfann inventó la refinación por zonas (c. 1950); Ernest Kirkendall (c. 1947), Lawrence S. Darken (c. 1948) y Clarence Zener (c. 1946) estudiaron la difusión en los sólidos.

A partir de 1950, el desarrollo ha sido tan vertiginoso que es imposible seguirle el paso en esta corta introducción. Se descubrieron materiales, procesos, instrumentos, tratamientos y técnicas, tantos y tan variados como el electrovacío, la electrónica de semiconductores y la producción de energía atómica. Todo ello ha llevado a la actual revolución de la robótica y la informática, en la que la metalurgia y los materiales son esenciales. Por lo anterior se comprende que aunque en este breve resumen se ha tratado de presentar los nombres y hechos más importantes, se puede decir “que no están todos los que son, aunque sí son todos los que están”.

1

La femtoestructura

De acuerdo con los conocimientos actuales, se pueden considerar esquemáticamente varios niveles de la estructura de los metales. El más profundo de ellos es el constituido por la estructura interna de las llamadas partículas fundamentales, esto es, los cuarks y sus interacciones. Luego viene el nivel formado por las partículas elementales (fotones, leptones, electrones, mesones, protones, neutrones, hiperones) en estado libre, es decir, cuando no hacen parte de una estructura más compleja. En seguida se tiene el nivel del núcleo atómico, en donde ocurren procesos con energías elevadas dentro de distancias sumamente pequeñas. Después vienen los átomos, de los cuales hacen parte los núcleos como partículas indivisas, en cuyos procesos se encuentran implicadas energías menos elevadas y distancias algo mayores. A continuación se tienen los procesos químicos, que comprenden las reacciones entre los átomos como partículas indivisibles y entre los cuales se produce la inmensa variedad de composiciones y desintegraciones cristalinas. Luego se tienen los movimientos y las transferencias de energía que se dan dentro de los cristales, que constituyen los procesos termodinámicos. Después vienen los procesos macro o de dimensiones visibles a simple vista, entre los cuales están los efectos de los procesos de fabricación. De modo que la estructura debe considerarse en sus dimensiones cuárkicas (femtoestructura), electrónicas y atómicas (picoestructura), cristalinas (nanoestructura), en la organización de las fases (microestructura) y en los efectos de la fabricación y el montaje (macroestructura).

Las diversas maneras de ordenamiento atómico de un material están fundamentalmente determinadas por la intensidad y la direccionalidad de las uniones interatómicas. Cualitativamente, se puede comprender por qué una unión atómica es fuerte o débil, direccional o no direccional, a partir del conocimiento de las energías y de las posiciones de los electrones del enlace con respecto a los centros iónicos cargados en forma positiva. Una disminución pronunciada de las energías genera una unión fuerte o primaria, y una ligera reducción es causa de una unión más débil o secundaria. Se conocen tres casos límite de uniones primarias, llamadas covalente, metálica e iónica, que se distinguen entre sí por la forma en que están localizados en el espacio los electrones de unión. Los casos límites de enlaces secundarios (Van der Waals y puente de H) son imprecisos, pues todos ellos pueden ser considerados en función de débiles atracciones dipolares.

Aunque no es el tema central para un ingeniero de materiales, un conocimiento del modo como se construye la materia desde sus cimientos es fundamental para un profesional que se precia de conocer la estructura de esta. Por tal razón, es conveniente introducir algunos conceptos básicos sobre el modelo estándar, que es una teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales conocidas entre las partículas elementales que componen toda la materia. Esta teoría cuántica de campos fue desarrollada entre 1970 y 1973, y es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo, este modelo no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales, debido a que no incluye la gravedad, la cuarta interacción básica conocida, y también al número elevado de parámetros numéricos (como masas y constantes que se juntan) que se deben introducir de antemano en la teoría (en vez de derivarse a partir de primeros principios).

Hacia el 450 a. C., Demócrito de Abdera propuso que toda la materia que forma la Tierra y todo lo conocido estaban compuestos de pequeñas partículas indivisibles. Demócrito utilizó la palabra “átomo” (indivisible) para designar a estas supuestas partículas. El hecho de que la materia no fuera continua, sino que estuviera compuesta por átomos es lo que se dio en llamar la teoría atómica. A lo largo de los siglos, esta teoría tuvo muchos defensores y detractores. El trabajo que para muchos cerró definitivamente esta polémica, probando de forma incuestionable la teoría atómica, fue uno de los cinco artículos que Albert Einstein publicó en 1905. Resulta curioso pensar que muy pocos años después se demostrara que tales átomos no eran indivisibles, sino que estaban formados por un núcleo central, en el que residían dos tipos de partículas, llamadas protones y neutrones, y una capa externa de un tercer tipo de partículas, denominadas electrones. Para explicar su configuración se desarrollaron distintos modelos.

El modelo de Niels Bohr era determinista, pero funcionaba muy bien para el átomo de H. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que los electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía. Algo andaba mal. La conclusión fue que, dentro de un mismo nivel energético, existían subniveles.