El estado metálico y sus propiedades: enlace metálico, conductividad y estructura cristalina

T-2: EL ESTADO METÁLICO

En el estado metálico, los átomos que componen la sustancia están unidos mediante enlace metálico, es decir, los átomos ionizados quedan unidos mediante una nube de electrones deslocalizados que rodean a los núcleos. Esta nube electrónica deslocalizada garantiza las altas conductividades térmicas y eléctricas que presentan los metales. Los metales son sólidos cristalinos, agregados de pequeños cristales o granos orientados al azar. Cada grano metálico constituye un edificio cristalino. Por tanto, un metal es un sólido policristalino.

Fuerzas de cohesión: Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en los sólidos metálicos son elevadas, son las debidas al enlace metálico. Son de tipo electrostático y tienen su origen en los orbitales incompletos. Las fuerzas teóricas de atracción en los metales son del orden de 100 a 1000 veces superiores a las reales obtenidas por ensayos en laboratorios.

Dos tipos de fuerzas: Fuerzas de atracción Fa (tienden a disminuir la energía interna) y Fuerzas de repulsión Fr (tienden a aumentar la energía interna). El equilibrio de fuerzas hace que los átomos se mantengan a una distancia de equilibrio x0 entre los centros de sus núcleos. Los átomos no se quedan fijos en sus posiciones, sino que están vibrando. Los átomos forman cristales. A cada cristal se le llama grano.

Análisis del equilibrio: R=Fa+Fr=|Fa|-|Fr|. Cuando R=0 -> x=x0. El módulo elástico solo depende del tipo de enlace. Ley de Hooke: E=σ/ε=(F/S) / (dx/x0)=(F/dx)·(1/S)·x0=tgα·(x0/S). Si S=1 -> E=x0·tgα. E: representa la fuerza por unidad de área, que hay que realizar para que la longitud de una probeta aumente al doble de la inicial. En los aceros: E=21000 Kp/mm²=210000 MPa.

Estudio de energías. Energías de enlace: Er: E necesaria para romper un enlace metálico. Er=int(xinf(R·dx))=-Ei. Er0=int(x0inf(R·dx))=-Eimin. Ei=E interna de la sustancia. Er0=E necesaria para romper el enlace, desde su estado de equilibrio x=distancia interatómica. A medida que aumenta la E interna, disminuye la E necesaria para romper el enlace Er y viceversa.

Propiedades de los metales relacionadas con la E necesaria para romper el enlace:

• La temperatura de fusión.
• Tensión de rotura y límite elástico.
• La E necesaria para la deformación.

Solidificación de un metal puro: desde su estado líquido, cuando su temperatura alcanza θF ocurre:

• Aparición de gérmenes o embriones: 1ªs agrupaciones de átomos que quedan unidos.
• Reunión de gérmenes para formar núcleos; tienen lugar en las zonas más frías (zonas en contacto con las paredes).
• Cuando estos núcleos han crecido un poco, se aprecia una estructura cristalina que se conoce como dendritas. Las dendritas al crecer lo hacen con estructura totalmente cristalina (ordenada), pero a medida que van creciendo, llega un momento que chocan por falta de espacio, unas con otras. Esta zona de contacto es una zona cristalina pero amorfa. A estas regiones interiores que quedan rodeadas por esta zona desordenada se le denomina grano, y a la región que rodea el grano se le llama borde de grano. El grano tiene una estructura totalmente cristalina ordenada y el borde de grano presenta una estructura cristalina pero desordenada, o amorfa. El grano tiene propiedades de anisotropía. Pero desde el punto de vista macroscópico, el metal constituido por muchos granos cristalinos presenta isotropía debido a la diferente orientación de los cristales de cada grano, y a que en las zonas de borde de grano hay mucho desorden. Las regiones de borde de grano son zonas de máxima energía debido a que los átomos están más alejados entre sí. La energía interna de las regiones de borde de grano es mayor que la propia del grano.

  Propiedades de los metales:

  • Resistencia térmica y mecánica de un metal puro: Er=Em+Ec(T) (Equilibrio). Er=E de rotura. Em=E mecánica. Ec=E cinética de vibración de los átomos en sus posiciones de equilibrio (estado de agitación). El enlace se rompe cuando Er<Em+Ec(T). Se puede conseguir añadiendo Em, por calentamiento del metal (aumentando Ec(T)) o por ambos a la vez.
  • Resistencia térmica: Em=0. Para romper el enlace: Er<Ec(T). Er0=int(x0inf(Rdx))=Ec0 Energía para romper el enlace atómico dentro de los granos. Er1=int(x1inf(Rdx))=Ec1 Energía para romper el enlace atómico en bordes de grano. x1>x0 y Er1<Er0. Conclusión: La resistencia térmica de un metal es muy elevada, próxima a la Er0, pero un poco inferior a esta. Es más fácil destruir mediante calor el borde de grano que el grano.
  • Resistencia mecánica: Ec(T)=0. Para romper el enlace: Er<Em(F). Un metal con tamaño de grano pequeño tiene mayor resistencia mecánica que otro con tamaño de grano grande, porque tiene mayor superficie de borde de grano. La fuerza que se necesita para la rotura mecánica es muy pequeña en comparación con la fuerza de enlace, porque rompe por deslizamiento. La zona más débil es el interior del grano, mientras que la más fuerte es el borde de grano.