Metalografía: Estructura y Propiedades de Metales y Aleaciones

¿Qué es la Metalografía?

La metalografía es el estudio de la estructura granular de los metales y su composición cristalina. El comportamiento de los metales puede ser comprendido y explicado conociendo su estructura cristalina íntima, ya que sus propiedades mecánicas son resultantes de esta. Anteriormente, en química, se vio que los elementos químicos, según sus características, pueden ser metálicos y no metálicos.

Características de los Metales

Los metales poseen varias características, entre las cuales se pueden destacar su brillo metálico, además de ser muy buenos conductores de calor como de corriente eléctrica. Son sólidos a temperatura ambiente, a excepción del mercurio.

Enlace Metálico

La unión de los átomos que forman los metales es típica, y por eso se llama enlace metálico. Es de tipo covalente, pero con la particularidad de que los electrones pueden desplazarse de un átomo a otro (electrón libre). Esta circunstancia explica muchas características propias de los metales, como por ejemplo la conducción eléctrica.

Solidificación de los Metales

Cuando un metal se encuentra en estado líquido y se lo deja enfriar, llega un momento que cambia su estado físico, pasando del estado líquido al estado sólido. Los sólidos, en general, pueden ser amorfos, como el vidrio, o cristalinos, como el cuarzo, la sal común, etc. Los cristales están formados por átomos dispuestos a distancias regulares (parámetros). Si observamos con un microscopio metalográfico un metal bien pulido y atacado por un reactivo apropiado, se logrará ver los granos formados por cristales unidos por sus bordes.

Aleaciones Metálicas

Se denomina aleación o aleación metálica a aquellas sustancias que poseen propiedades metálicas y que están compuestas por dos o más elementos, uno de ellos metal, y el otro puede ser metal o no metal. El método ordinario de preparación de las aleaciones es la fusión conjunta (o sea, la mezcla desde los dos elementos en estado de fusión). En la mayoría de los casos, los componentes son totalmente solubles entre ellos, es decir, forman una solución líquida en la que los átomos de los distintos elementos se mezclan de manera uniforme. Cuando se solidifican, estas soluciones líquidas pueden formar, ya en estado sólido, los siguientes tipos de aleaciones:

• Aleaciones sólidas
• Compuestos químicos
• Mezclas mecánicas

Diagrama de Enfriamiento de un Metal Puro

En este diagrama, se puede observar que en la máxima temperatura esta se mantiene constante mientras que haya líquido presente. “A” representa el comienzo de la solidificación y “B” el fin. En el intervalo AB hay líquido y sólido simultáneamente. La temperatura se mantiene constante porque el metal devuelve la energía que le suministró al calentarlo. Si en vez de partir del líquido y dejar enfriar, procedemos a calentar el metal sólido hasta que se funda, y luego seguimos calentando el líquido fundido, el gráfico resultaría como lo muestra el gráfico de enfriamiento, donde A es el comienzo de la fusión y B el fin de la misma.

Diagrama de Enfriamiento y Calentamiento de una Aleación

Si en vez de tener un metal puro tenemos una aleación, la curva es como la anterior, donde se observa que no hay punto de solidificación o fusión, sino un intervalo entre A y B. El tramo BC es característico de ciertas aleaciones con eutéctico, que, como observamos, solidifican a temperatura fija sin intervalo.

Diagramas de Equilibrio

Si tenemos dos metales M y M´ que formen una aleación, trazando las curvas temperatura-tiempos para distintas proporciones de ambos, podemos pasar a estos gráficos temperatura-composición que se llaman diagramas de equilibrio, por ejemplo, el siguiente gráfico.

Donde la curva MtEM´t representará los puntos de comienzo de solidificación y se llama curva “liquidus” y la curva CED representa el fin de la solidificación y se llama por eso curva “solidus”. Se comprende que cada zona del diagrama representa las fases y metales que están presentes en cada una, entendiéndose por fase toda porción homogénea (de iguales propiedades) y estará separada de otra fase por una superficie límite (un ejemplo de dos fases separadas sería el formado por agua y aceite). El punto Mt es el punto de fusión del componente puro M y, análogamente, M´t es el punto de fusión del componente puro M´. El punto E representa aleaciones posibles de M y M´ y se llama eutéctico: por debajo de esta temperatura no hay más líquido.

Alotropía o Polimorfismo

Algunos metales, dentro de los cuales se encuentra el hierro, al enfriarlo lentamente, adquieren, según la temperatura a la que estén, distintas estructuras en sus redes cristalinas. Este fenómeno se denomina alotropía o polimorfismo. Estas formas alotrópicas se suelen representar por las letras del alfabeto griego. La transformación de una variedad alotrópica en otra va acompañada de una absorción de calor al calentarse y por un desprendimiento de calor al enfriarse. Se verifican estos procesos a temperatura constante y solo se modifica la temperatura cuando hubo un cambio total de la fase.

Puntos Críticos del Hierro

En esta curva se observa que cada transformación, durante un cierto tiempo, no cambia la temperatura. Estos periodos se denominan puntos críticos.

• 1535°C
• 1401°C
• 1145°C
• 900°C
• 721°C
• 20°C

El hierro puro tiene la importante propiedad de que si se calienta o se enfría, a las temperaturas señaladas en el gráfico, va cambiando de sistema cristalino y así observamos que puede presentarse a temperatura ambiente en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (α), con un átomo en el centro del cuerpo. A mayor temperatura cristaliza en el sistema cúbico con un átomo en el centro de cada cara. Finalmente, a temperatura más elevada, vuelve a aparecer la forma cúbica centrada en el cuerpo (δ). A 768°C (Ar2) la forma α se vuelve antimagnética, llamándose β, pero el sistema cristalino se mantiene.