¿Qué son los metales? Definición

El metal es un material (generalmente sólido) que comprende uno o más elementos metálicos (p. Ej., Hierro, aluminio, cobre, cromo, titanio, oro, níquel) y, a menudo, también elementos no metálicos (p. Ej., Carbono, nitrógeno, oxígeno) en cantidades relativamente pequeñas. La característica única de los metales en lo que respecta a su estructura es la presencia de portadores de carga, específicamente electrones. Esta característica viene dada por la naturaleza del enlace metálico. Las conductividades eléctricas y térmicas de los metales se originan en el hecho de que sulos electrones externos están deslocalizados.

Enlace metálico

Un enlace metálico es un enlace químico, en el que los átomos no comparten ni intercambian electrones para unirse. En cambio, muchos electrones (aproximadamente uno por cada átomo) son más o menos libres para moverse por el metal, de modo que cada electrón puede interactuar con muchos de los átomos fijos.

Los electrones libres protegen los núcleos de iones cargados positivamente de las fuerzas electrostáticas mutuamente repulsivas que de otro modo se ejercerían entre sí; en consecuencia, el enlace metálico es de carácter no direccional. La unión metálica se encuentra en metales y sus aleaciones. El libre movimiento o deslocalización de los electrones enlazados conduce a propiedades metálicas clásicas como el brillo (reflectividad de la luz superficial), conductividad eléctrica y térmica, ductilidad y alta resistencia a la tracción.

Metalurgia

La metalurgia es un dominio de la ciencia de los materiales y la ingeniería de materiales que estudia el comportamiento físico y químico de los elementos metálicos y sus aleaciones.

La metalurgia se refiere a las propiedades y estructuras químicas, físicas y atómicas de los metales y los principios por los cuales los metales se combinan para formar aleaciones. La metalurgia se utiliza para separar los metales de su mineral.

La metalurgia se subdivide en metalurgia ferrosa (la metalurgia del hierro y sus aleaciones también conocida como metalurgia negra) y metalurgia no ferrosa (la metalurgia del aluminio, cobre, etc.). La metalurgia ferrosa involucra procesos y aleaciones basados ​​en hierro, mientras que la metalurgia no ferrosa involucra procesos y aleaciones basadas en otros metales.

Aleaciones

Una aleación es una mezcla de dos o más materiales, al menos uno de los cuales es un metal. Las aleaciones pueden tener una microestructura formada por soluciones sólidas, donde los átomos secundarios se introducen como sustituyentes o intersticiales en una red cristalina. Una aleación también puede ser una mezcla de fases metálicas (dos o más soluciones, formando una microestructura de diferentes cristales dentro del metal). Ejemplos de aleaciones de sustitución incluyen bronce y latón, en los que algunos de los átomos de cobre están sustituidos con átomos de estaño o zinc respectivamente.

Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, ya que tales mezclas a menudo tienen propiedades superiores a los materiales puros. Muchas aleaciones de metales son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del solvente.

La aleación es una práctica común porque los enlaces metálicos permiten unir diferentes tipos de metales. Por ejemplo, los aceros inoxidables austeníticos, incluido el acero inoxidable Tipo 304 (que contiene 18% -20% de cromo y 8% -10,5% de níquel), tienen una estructura cúbica de átomos de hierro centrada en las caras con el carbono en solución sólida intersticial.

Las aleaciones ferrosas, en las que el hierro es el componente principal, incluyen el acero y el arrabio (con un contenido de carbono de un pequeño porcentaje) y las aleaciones de hierro con otros metales (como el acero inoxidable). Las aleaciones ferrosas son conocidas por su resistencia. Las aleaciones suelen ser más fuertes que los metales puros, aunque generalmente ofrecen una conductividad eléctrica y térmica reducida. Las aleaciones ferrosas más simples se conocen como aceros y consisten en hierro (Fe) aleado con carbono (C) (alrededor del 0,1% al 1%, según el tipo). Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia. Debido a su muy alta resistencia, pero aún sustancial dureza, y su capacidad de ser alterado en gran medida por el tratamiento térmico, el acero es una de las aleaciones ferrosas más útiles y comunes en el uso moderno.

Ver también: ¿Qué es una solución sólida?

Procesamiento de metales

Históricamente, el procesamiento de metales posee uno de los dominios clave en la ciencia de los materiales. La ciencia de los materiales es una de las formas más antiguas de ingeniería y ciencia aplicada y el material de elección de una época determinada suele ser un punto definitorio (por ejemplo, la Edad de Piedra, la Edad del Bronce, la Edad del Hierro). El procesamiento de metales implica la producción de aleaciones, el modelado, el tratamiento térmico y el tratamiento superficial del producto. Determinar la dureza del metal utilizando las escalas de dureza Rockwell, Vickers y Brinell es una práctica comúnmente utilizada que ayuda a comprender mejor la elasticidad y plasticidad del metal para diferentes aplicaciones y procesos de producción. La tarea de los ingenieros de materiales es lograr un equilibrio entre las propiedades del material, como el costo, el peso, la resistencia, la tenacidad, la dureza, la corrosión, la resistencia a la fatiga y el rendimiento en temperaturas extremas. Para lograr este objetivo, se debe considerar cuidadosamente el entorno operativo. En un ambiente de agua salada, los metales ferrosos y algunas aleaciones de aluminio se corroen rápidamente. Los metales expuestos a condiciones frías o criogénicas pueden sufrir una transición de dúctil a frágil y pierden su dureza, volviéndose más frágiles y propensos a agrietarse. Los metales sometidos a cargas cíclicas continuas pueden sufrir fatiga del metal. Los metales bajo tensión constante a temperaturas elevadas pueden deslizarse.

Procesos metalúrgicos

El procesamiento de metales en estado sólido se puede dividir en dos etapas principales:

• Trabajo en caliente. Primero, la materia prima en forma de lingotes o palanquillas grandes se trabaja en caliente, generalmente por laminación, forja o extrusión, en formas y tamaños más pequeños. Estos procesos ocurren a una temperatura superior a la que se produce la recristalización. Estar por encima de la temperatura de recristalización permite que el material se recristalice durante la deformación. Esto es importante porque la recristalización evita que los materiales se endurezcan por deformación, lo que en última instancia mantiene el límite elástico y la dureza bajos y la ductilidad alta. Para las operaciones de trabajo en caliente son posibles grandes deformaciones, que pueden repetirse sucesivamente porque el metal permanece blando y dúctil.En general, los metales se moldean mediante procesos como:
  • Forjar
  • Laminación
  • Extrusión
  • Dibujo
  • Fundición
• Trabajo en frio. El trabajo en frío es un proceso de trabajo de metales, que se produce por debajo de la temperatura de recristalización. Porque la deformación plástica resulta del movimiento de dislocaciones, los metales se pueden fortalecer evitando este movimiento. Cuando un metal se deforma plásticamente, las dislocaciones se mueven y se generan dislocaciones adicionales. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. La densidad de la dislocación en un metal aumenta con la deformación o el trabajo en frío debido a la multiplicación de la dislocación o la formación de nuevas dislocaciones. Cuantas más dislocaciones haya dentro de un material, más interactuarán y se enredarán o enredarán. Esto dará como resultado una disminución en la movilidad de las dislocaciones y un fortalecimiento del material. Este proceso se conoce como trabajo en frío porque la deformación plástica debe ocurrir a una temperatura lo suficientemente baja como para que los átomos no puedan reorganizarse. Es un proceso de hacer un metal más duro y más fuerte a través de la deformación plástica. Las técnicas de conformado en frío generalmente se clasifican en cuatro grupos principales:
  • Apretando
  • Doblado
  • Dibujo
  • Cizallamiento

Procesamiento térmico de metales

Los metales se pueden tratar térmicamente para alterar las propiedades de resistencia, ductilidad, tenacidad, dureza o resistencia a la corrosión. Hay una serie de fenómenos que ocurren en metales y aleaciones a temperaturas elevadas. Por ejemplo, recristalización y descomposición de austenita. Estos son eficaces para alterar las características mecánicas cuando se utilizan tratamientos térmicos o procesos térmicos adecuados. De hecho, el uso de tratamientos térmicos en aleaciones comerciales es una práctica muy común. Los procesos habituales de tratamiento térmico incluyen recocido, endurecimiento por precipitación, temple y revenido.

• Recocido. El término recocido se refiere a un tratamiento térmico en el que un material se expone a una temperatura elevada durante un período de tiempo prolongado y luego se enfría lentamente. En este proceso, el metal elimina las tensiones y hace que la estructura de la veta sea grande y de bordes blandos, de modo que cuando el metal es golpeado o estresado, se abolla o quizás se dobla, en lugar de romperse; también es más fácil lijar, moler o cortar metal recocido.
• Enfriamiento. El término temple se refiere a un tratamiento térmico en el que un material se enfría rápidamente en agua, aceite o aire para obtener ciertas propiedades del material, especialmente la dureza. En metalurgia, el temple se usa más comúnmente para endurecer el acero mediante la introducción de martensita. Existe un equilibrio entre dureza y tenacidad en cualquier acero; cuanto más duro es el acero, menos tenaz o resistente a los impactos es, y cuanto más resistente a los impactos, menos duro es.
• Templado. El término templado se refiere a un tratamiento térmico que se utiliza para aumentar la tenacidad de las aleaciones a base de hierro. El revenido generalmente se realiza después del endurecimiento, para reducir parte del exceso de dureza, y se realiza calentando el metal a una temperatura por debajo del punto crítico durante un cierto período de tiempo, luego dejándolo enfriar en aire tranquilo. El templado hace que el metal sea menos duro y lo hace más capaz de soportar impactos sin romperse. El revenido hará que los elementos de aleación disueltos se precipiten o, en el caso de los aceros templados, mejore la resistencia al impacto y las propiedades dúctiles.
• Envejecimiento. El endurecimiento por envejecimiento, también llamado endurecimiento por precipitación o endurecimiento por partículas, es una técnica de tratamiento térmico basada en la formación de partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas de una segunda fase dentro de la matriz de fase original para mejorar la resistencia y dureza de algunas aleaciones metálicas. El endurecimiento por precipitación se utiliza para aumentar el límite elástico de los materiales maleables, incluidas la mayoría de las aleaciones estructurales de aluminio, magnesio, níquel, titanio y algunos aceros y aceros inoxidables. En las superaleaciones, se sabe que provoca anomalías en el límite elástico, lo que proporciona una excelente resistencia a altas temperaturas.

Procesos de unión

• Soldadura. En la soldadura, uno de los procesos de unión más comunes, se unen dos o más piezas metálicas para formar una sola pieza utilizando calor elevado para fundir las piezas y dejar que se enfríen provocando la fusión.
• Soldadura fuerte. La soldadura fuerte es un proceso de unión de metales en el que se funde un metal de aportación y se introduce en un capilar formado por el ensamblaje de dos o más piezas de trabajo. El metal de aportación tiene un punto de fusión más bajo que el metal contiguo. La soldadura fuerte se diferencia de la soldadura en que no implica la fusión de las piezas de trabajo y de la soldadura en el uso de temperaturas más altas para un proceso similar, mientras que también requiere piezas mucho más ajustadas que cuando se suelda.
• Soldadura. Una técnica para unir metales utilizando una aleación de metal de relleno que tiene una temperatura de fusión inferior a aproximadamente 425°C (800°F). Debido a esta temperatura más baja y a las diferentes aleaciones que se utilizan como rellenos, la reacción metalúrgica entre el relleno y la pieza de trabajo es mínima, lo que resulta en una unión más débil. En el montaje de componentes electrónicos, la aleación eutéctica con 63% de estaño y 37% de plomo (o 60/40, que es casi idéntico en punto de fusión) ha sido la aleación elegida.
• Fascinante. El remachado es uno de los procesos de unión de piezas metálicas más antiguos. Un remache es esencialmente un perno de dos cabezas y sin rosca que mantiene unidas otras dos piezas de metal. Actualmente, el remachado conserva importantes usos en la industria y la construcción. Los remaches macizos se utilizan en aplicaciones en las que la fiabilidad y la seguridad cuentan. Una aplicación típica de los remaches macizos se puede encontrar dentro de las partes estructurales de los aviones. Se utilizan cientos de miles de remaches sólidos para ensamblar el armazón de un avión moderno.

Procesamiento de metales misceláneos

• Sinterización. La sinterización de metales es el proceso de compactar y formar un metal en polvo por calor o presión sin derretirlo hasta el punto de licuefacción.
• Revestimiento láser. En el proceso de revestimiento por láser, se sopla polvo metálico a través de un rayo láser móvil (por ejemplo, montado en una máquina NC de 5 ejes). El metal fundido resultante alcanza un sustrato para formar un baño de fusión. Moviendo el cabezal láser, es posible apilar las pistas y construir una pieza tridimensional.
• Impresión 3d. La impresión 3D de metal se basa en sinterizar o fundir polvo de metal amorfo en un espacio 3D para dar forma a cualquier objeto. En un nivel alto, el proceso de impresión 3D incluye cortar un archivo CAD en capas discretas y luego construir esa parte capa por capa.

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Ingeniería nuclear