Metalurgia Fundamental: Estructura, Cristalización y Resistencia de Materiales Metálicos

Estado Metálico: Fundamentos y Estructura

Los átomos en un estado metálico están unidos por un enlace metálico, caracterizado por una "nube de electrones" deslocalizados. Los metales son predominantemente sólidos cristalinos. Aunque es difícil elaborar un metal puro, las aleaciones suelen presentar propiedades mecánicas y físicas mejoradas en comparación con sus componentes puros.

Fuerzas de Cohesión en Metales

Las fuerzas que unen los átomos en los metales son de naturaleza electrostática, originadas en los orbitales electrónicos incompletos. Es importante destacar que las fuerzas teóricas de atracción son entre 100 y 1000 veces superiores a las observadas en la realidad, debido a la presencia de defectos estructurales en los materiales.

Existen dos tipos principales de fuerzas de cohesión:

• Fuerzas de Atracción: Contribuyen a disminuir la energía interna del metal, favoreciendo la estabilidad.
• Fuerzas de Repulsión: Contribuyen a aumentar la energía interna, oponiéndose a la unión atómica.

Energía de Ruptura y Propiedades Mecánicas

La energía de ruptura es un parámetro crítico que define varias propiedades fundamentales de un metal, incluyendo:

• La temperatura de fusión.
• La energía necesaria para la deformación plástica.
• El límite de rotura del material.

Proceso de Cristalización de Metales

Para la obtención de piezas metálicas con formas específicas, se utiliza comúnmente el proceso de solidificación directa. Este proceso implica los siguientes pasos:

1. Se calienta el metal hasta alcanzar su estado líquido.
2. El metal líquido se vierte en recipientes o moldes con la forma deseada.
3. Se procede al enfriamiento del metal.

Durante el enfriamiento, se observa un período en el que la temperatura permanece constante. Esto ocurre porque los átomos están experimentando una transición de un estado de agitación (líquido) a un estado sólido cristalino (ordenado). Las fuerzas que dan lugar a la formación del sólido aparecen precisamente a la temperatura de fusión.

Antes de la cristalización, puede producirse un fenómeno conocido como subfusión, que es un pequeño descenso de la temperatura por debajo del punto de fusión debido a la inercia del propio proceso de enfriamiento. Finalmente, la cristalización es el período que abarca desde la formación de los primeros cristales hasta la solidificación completa del material.

Solidificación de un Metal Puro: Formación de la Microestructura

Al enfriar un metal puro hasta su temperatura de fusión, se suceden una serie de eventos que determinan su microestructura final:

1. Aparición de Gérmenes o Embriones: En el líquido comienzan a formarse pequeños agregados atómicos, conocidos como gérmenes o embriones.
2. Formación de Núcleos: Estos gérmenes se agrupan para formar núcleos, generalmente en las zonas más frías del molde o del líquido.
3. Crecimiento de Dendritas: A medida que los núcleos crecen, desarrollan estructuras cristalinas ramificadas denominadas dendritas.
4. Formación de Granos y Bordes de Grano: Cuando las dendritas crecen considerablemente, chocan entre sí y sus ramificaciones comienzan a ocupar los espacios vacíos de las redes cristalinas. Esto da lugar a una estructura que, aunque cristalina, presenta zonas de desorden.
   • Las regiones interiores ordenadas, rodeadas por esta zona de desorden, se denominan grano (estructura cristalina ordenada).
   • La región que rodea al grano se conoce como borde de grano (estructura cristalina desordenada), siendo esta la zona de máxima energía en la microestructura.

Resistencia Térmica y Mecánica de los Metales

La resistencia de un material metálico se puede entender a través de la relación energética: Er = Em + Ec(T), donde Er es la energía de ruptura, Em es la energía mecánica aplicada y Ec(T) es la energía cinética térmica. El enlace atómico se rompe cuando Er < Em + Ec(T). Esto puede ocurrir por la aplicación de golpes (aumentando Em) y/o por calentamiento (aumentando Ec(T)).

Resistencia Térmica

La resistencia térmica se refiere a la capacidad del material para soportar el calor sin fundirse o deformarse significativamente. En este caso, la ruptura se produce principalmente por el aumento de la energía cinética térmica (Ec(T)), es decir, Er < Ec(T). Al calentar, el movimiento de vibración de los átomos aumenta hasta que estos saltan de su posición de equilibrio.

• Energía para romper el enlace de los granos: Er₀ = ∫_x^∞ R dx = Ec₀
• Energía para romper el borde de grano: Er₁ = ∫_x^∞ R dx = Ec₁

Dado que x₁ > x₀, entonces Er₁ < Er₀, lo que implica que el borde del grano se funde antes. A pesar de esto, la resistencia térmica global del metal es muy elevada.

Resistencia Mecánica

La resistencia mecánica se refiere a la capacidad del material para soportar fuerzas externas (solo Em). Al aplicar una fuerza:

• La zona del grano, al ser una red cristalina ordenada, permite el movimiento de los planos de deslizamiento con relativamente poco trabajo.
• La zona del borde del grano, al tener una estructura amorfa o desordenada, no presenta planos de deslizamiento definidos. Por lo tanto, es más complicado deformarla y requiere la aplicación de una mayor fuerza.

Conclusión: Cuanto menor sea el tamaño del grano, mayor será la proporción de borde de grano en el material y, por lo tanto, mayor será su resistencia mecánica global.

Factores que Influyen en el Tamaño del Grano

El tamaño del grano es una característica microestructural fundamental que afecta directamente las propiedades mecánicas de los metales. Los principales factores que intervienen en su determinación son:

• Temperatura de Fusión: Generalmente, a mayor temperatura de fusión del metal, menor será el tamaño del grano resultante.
• Velocidad de Crecimiento (Vc): Es el aumento del tamaño de los núcleos por unidad de tiempo. A mayor velocidad de crecimiento, mayor será el tamaño del grano.
• Velocidad de Nucleación (Vn): Es el aumento del número de núcleos formados por unidad de tiempo. A mayor velocidad de nucleación, menor será el tamaño del grano.

Para conseguir un tamaño de grano pequeño, es deseable que la relación Vn/Vc sea lo más grande posible. Esto se puede lograr mediante diversas técnicas:

• Adición de impurezas insolubles que actúen como sitios de nucleación.
• Agitación de la mezcla durante el proceso de cristalización.
• Aumento del grado de subenfriamiento.