Metales

TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES UNIDAD II CLASIFICACIÓN DE LOS SÓLIDOS METALES Y NO METALES Definición de Metales Es un grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas:  Estado sólido a temperatura normal (excepto el mercurio que es líquido)  Estructura cristalina en estado sólido  Buenos conductores eléctricos y térmicos  Opacos excepto en capas muy finas y una vez pulidos Ubicación en el sistema periódico  Se ubican a la izquierda del sistema periódico Definición de No Metales  Presentan diferentes estados físicos a temperatura normal. Gases: Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno. Flúor, Cloro y los gases nobles. Líquido: Bromo. Todos los demás son sólidos a temperatura ambiente.  Tienen propiedades físicas más variadas que los metales.  Son malos conductores eléctricos y térmicos.

Ubicación en el sistema periódico  Se ubican en el lado derecho de la tabla periódica excepto el Hidrógeno que se encuentra en la esquina superior izquierda. Generalidades sobre metales y no metales  La mayoría de los elementos conocidos son metales. Son 17 no metales y 8 metaloides (elementos químicos no metálicos, malos conductores y poco pesados: Boro, Silicio, Germanio, etc.)  En la tabla periódica, metales y no metales se encuentran separados por los elementos de la diagonal de los metaloides (Boro, Silicio, Germanio, Arsénico, Antimonio, Telurio, Polonio y Astato que reúnen tanto propiedades metálicas como no metálicas)

Importancia de los metales Los metales son materiales con múltiples aplicaciones que ocupan un lugar destacado en nuestra sociedad. Se conocen y utilizan desde tiempos prehistóricos, y en la actualidad constituyen una pieza clave en prácticamente todas las actividades económicas. Obtención de los Metales Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas. La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se halla a poca profundidad, por el contrario si es profundo recibe el nombre de mina subterránea. En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavadoras, taladradoras y otras maquinarias, a fin de arrancar el mineral de la roca. Técnicas de separación Tamizado: consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante tamices. Filtración: Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro. Flotación: se trata de la separación de una mezcla de partículas sólidas en un líquido

Estructura de los metales Estructuras amorfas y Estructuras Cristalinas Como ya hemos visto, nuestro planeta está formado por diferentes tipos de materiales y sustancias. Todos ellos están integrados por átomos que se organizan de diferentes formas dependiendo del material de que se trate y el estado en que se encuentre. Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus átomos están dispersos o desordenados (a mayor distancia uno de otro) que cuando se encuentra en estado líquido o fundamentalmente sólido. En grandes líneas, las sustancias pueden presentarse en estado amorfo o en estado cristalino. Una sustancia se encuentra en estado amorfo cuando sus átomos siempre están en desorden o desalineados (aún en estado sólido). A estos materiales se los llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como un líquido solidificado.

Una sustancia está en estado cristalino cuando sus átomos se encuentran dispuestos en forma ordenada y las distancias interatómicas son constantes. En el caso de los metales cuando están en estado sólido sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura se dice que es un material polimorfo o alotrópico. Cada tipo de malla de diferentes propiedades no obstante que se trata del mismo material. Así por ejemplo en el caso del hierro y su aleación con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: •

La malla cúbica de cuerpo centrado

•

La malla cúbica de cara centrada

•

La malla hexagonal compacta

Cada una de estas estructuras atómicas tiene diferentes números de átomos con una estructura particular propia. o

Malla cúbica de cuerpo centrado

Es la estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente. Se conoce como hierro alfa. Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra su estructura y un átomo en el centro. También se encuentran con esta estructura el Cromo, Molibdeno y Tungsteno (grupo G). o

Malla cúbica de cara centrada

Aparece en el Hierro cuando su temperatura se eleva aproximadamente a 910°. Se conoce como hierro gamma. Tiene átomos en los vértices y en cada una de las caras, su cambio es notado por los Rayos X, por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el Aluminio, Plata, Cobre, Oro, Níquel, Plomo y Platino tienen esta estructura de malla. o

La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como Berilio, Titanio y Cadmio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, siendo muy frágil.

EJEMPLO

MODIFICACIÓN DE UNA MALLA: QUE APLICACIONES TIENE? Modificar una malla de un metal permite la participación de más átomos en una molécula. Estos átomos puede ser de un material aleado (aleación: es la combinación química de dos o más metales y sus propiedades dependen de los metales que la integran) como el carbón en el caso del hierro, lo que implica que se puede diluir más carbón en un átomo de hierro. Si te tiene en cuenta que el carbón es el que en ciertas proporciones, da la dureza al hierro, entonces lo que se hace al cambiarla estructura del hierro es permitir que se diluya más carbón, con lo que se modifican sus propiedades.

PROPIEDADES DE LOS METALES A) PROPIEDADES FÍSICAS o

COLOR

Muchos muestras un color grisáceo pero podemos destacar algunos casos particulares: Wolframio: blanco plateado Molibdeno: plata brillante Cromo: plata azulado Bismuto: rosáceo Oro: amarillo Cobre: rojizo o

Densidad

La densidad es variable en los metales, depende del estado sólido o líquido y del procedimiento con que fueron tratados (densidad= masa/volumen) El metal en estado líquido es menos denso que el sólido, debido al aumento de volumen que experimenta con el calor. Otro ejemplo: si en estado sólido se lo estira, disminuye su densidad, que aumenta cuando se lo somete a compresión. El más denso es el Iridio, con una densidad relativa de 22.4 y el menos denso es el Litio con una densidad relativa de 0.53. La clasificación general de los metales por su densidad es. Ligeros: densidad menor que 5.

Pesados: densidad mayor que 5. Nota : de los metales usados en la construcción solamente el aluminio entra en la categoría de los livianos. B) Propiedades Químicas o

Elevada capacidad de oxidación. La mayoría de los metales son electropositivos, es decir que tienden a perder electrones, teniendo facilidad para reaccionar con el Oxígeno formando óxidos básicos.

o

Forman fácilmente iones positivos o cationes formando sales como cloruros, sulfuros y carbonatos.

o

La mayoría de los metales cristaliza en el sistema cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el tetragonal.

C) Propiedades mecánicas o

Dureza: los metales suelen ser muy duros. No se rayan ni se perforan fácilmente y resisten los esfuerzos a los que son sometidos. Existen dos escalas de dureza: 

Escala de mineralogía: resistencia al corte o la abrasión. Mide la dificultad de un material a ser rayado.



Escala de metalurgia: resistencia a la identación o a la penetración.

o

Plasticidad: algunos metales se deforman permanentemente cuando actúan sobre ellos fuerzas externas.

o

Elasticidad: otros muestran un fuerte carácter elástico y son capaces de recuperar su forma original.

o

Maleabilidad: es la facultad de ser extendidos en finas láminas sin llegar a romperse. Ejemplo: Estaño. Metales nobles.

o

Tenacidad: muchos metales presentan una gran resistencia a romperse cuando son golpeados. Es una capacidad de absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse. Ejemplo : Hierro y Cobre

o

Ductilidad: Facultad de ser estirados en finos hilos y de gran longitud. Ejemplo: metales nobles.

D) Propiedades térmicas o

Punto de fusión: es muy variable. Ejemplo: desde los -39°C del Mercurio hasta los 3.410°C del Tungsteno.

o

Conductividad térmica: favorecida por el empaquetamiento compacto de los átomos en los cristales metálicos.

o

Dilatación y contracción: los metales se dilatan cuanto aumenta la temperatura y se contraen cuando ésta disminuye.

E) Conductividad eléctrica. Debido a la movilidad de los electrones en los cristales Disminuye con el aumento de la temperatura. Actualmente se explica por la “teoría de las bandas”. Además de los orbitales, los electrones giran en “bandas” que abarcan un conjunto de orbitales. Estas bandas tienen defecto de electrones, por lo que los mismos saltan a esas bandas, provocando el movimiento y la conductividad. F) Propiedad magnética. Algunos metales presentan un característico comportamiento magnético, que consiste en su capacidad de atraer otros metales.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE LOS METALES Los aspectos más importantes en el comportamiento mecánico de los metales son: 1. La ductilidad que es la capacidad de soportar grandes deformaciones plásticas para producir piezas útiles. 2. La resistencia mecánica que es la responsable de que los metales soporten grandes esfuerzos. Ambas propiedades son fuertemente dependientes de la temperatura a la cual se realiza la prueba. En general la resistencia disminuye y la ductilidad de incrementa al aumentar la temperatura de la prueba. El gráfico 1 muestra la influencia de la temperatura en el comportamiento del acero al carbón. Se observa que la ductilidad aumenta al incrementarse la temperatura de la prueba. El gráfico 2 muestra el comportamiento de la resistencia a la tracción de metales genéricos al incrementarse la temperatura. DEFORMACIÓN EN FRÍO La deformación en frío se produce cuando el material endurece progresivamente a medida que aumenta la deformación plástica, es decir que no se presentan fenómenos de recuperación ni recristalización. El trabajo en frío tiene los siguientes inconvenientes:

•

La resistencia que presenta el metal a ser deformado, es por lo común, elevada y aumenta durante el proceso debido al endurecimiento por deformación.

•

La ductilidad, en general, es reducida, por lo que no se pueden alcanzar grandes deformaciones plásticas.

Las ventajas son algunas como: no se requiere energía, se puede endurecer el material por deformación plástica para mejorar su resistencia en servicio.

FRAGILIDAD A BAJA TEMPERATURA Los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta presentan casi siempre una transición abrupta en su comportamiento mecánico. Por encima de un cierto rango de temperaturas son dúctiles y frágiles a temperaturas inferiores. (Transición dúctil-frágil) Ejemplo: uno de los 2751 barcos Liberty usados durante la segunda guerra mundial se fracturó estando anclado en un muelle.

DEFORMACIÓN EN CALIENTE Se deforma en caliente un material cuando se produce recuperación y recristalización simultáneamente con la deformación. El rango de trabajado en caliente está comprendido entra la temperatura de recristalización y la de fusión del metal. Como el metal no endurece durante el proceso, tampoco se fragiliza, por lo que la ductlidad es prácticamente ilimitada. Los procesos de trabajado en caliente son muy comunes como operaciones primarias o de desbaste. Las ventajas del trabajado en caliente son:

 El metal presenta menor resistencia a la deformación y, por ende, se requiere menor potencia necesaria para deformar  Una ductilidad prácticamente ilimitada en el metal  Mejorar la estructura afinando el tamaño del grano Entre las desventajas están:  Son necesarias instalaciones complementarias para el calentamiento de las piezas

 Las altas temperaturas favorecen las reacciones del metal con el medio ambiente, por lo que las oxidaciones son importantes. Ello involucra la posibilidad de defectos superficiales y pérdidas de material. En los aceros estas pérdidas oscilan entre el 2 y el 3%.

La mayor parte de las operaciones en caliente se efectúan en una serie de pasadas o etapas. En general, se mantiene la temperatura de trabajo en las pasadas intermedias bastante por encima de la mínima a efecto de aprovechar la menor resistencia ofrecida por los metales, por lo que es práctica común bajar la temperatura recién en la última pasada. FRAGILIDAD EN CALIENTE Muchos metales y aleaciones no pueden ser trabajados en caliente porque presentan marcada tendencia a agrietarse y romperse en este rango de temperaturas. Este comportamiento se conoce como “fragilidad en caliente”. También es importante en piezas fundidas porque puede producir agrietamientos durante la solidificación. Las causas que producen fragilidad en caliente se pueden clasificar en:  Componentes estructurales de bajo punto de fusión o (eutécticos) o impurezas (Pb en aceros o latones) que funden a temperaturas cercanas a la de recristalización del metal base.  Precipitación de constituyentes duros y frágiles a partir de soluciones sólidas. Esto implica que las temperaturas en que aparecen estos precipitados no pueden usarse para procesos de deformación plástica.

ALEACIONES. ESTADO LÍQUIDO. SOLIDIFICACION Otra de las características de los metales que influye notablemente en sus propiedades es el tamaño del grano, el cual depende de la velocidad de enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y la naturaleza del calentamiento que sufrió el metal al ser calentado. Cuando un metal en su estado líquido se enfría sus cristales se van solidificando formando estructuras DENDRÍTICAS, las que crecen uniformes hasta que se encuentran con otra estructura que también ha estado creciendo, en ese lugar de encuentro de las dos estructuras se forman los límites de los granos de los materiales. Entre más lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o sea estos serán de menor tamaño.

Un material con granos pequeños será más duro que uno con granos grandes, debido a que los granos grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el otro, lo que no sucede con los granos pequeños. Estructuras dendríticas Estructuras cristalinas ramificadas formadas sobre la pared del molde, distintos a los de la estructura del embrión cristalino del material moldeado.

DIAGRAMA HHC Los metales al ser calentados pueden modificar su estado físico pasando por varias etapas, las que van desde la alteración de algunas de sus propiedades hasta el cambio de su estado sólido al líquido. El qué tan rápido o con que tanta energía se logra un cambio de estado de metal dependerá de los materiales que lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la combinación química de dos o más metales se le llama aleación y las propiedades de las aleaciones dependen también de los metales que la integran. Algunas de las aleaciones más utilizadas en los procesos de manufactura son:  Latón rojo o amarillo (cobre-zinc)  Bronce (Cobre-estaño-zinc-plomo)  Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc  Hierro, carbón, cobalto, tungsteno, vanadio  Cobre, oro, plata Existen tablas y normas internacionales que especifican la nomenclatura y los componentes específicos de cada una de las diferentes aleaciones. Las aleaciones antes señaladas son sólo algunas de las más, existen cientos de ellas. Una de las herramientas que nos permiten conocer de manera sencilla y rápida algunas de las características de las aleaciones son los diagramas de las aleaciones. Uno de los diagramas de aleaciones más conocido y utilizado es el del Hierro y Carbono. También conocido como diagrama hierro, hierro, carbonoHHC-Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de de cambio de sus estructuras cristalinas; también se pueden conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro. En función a la cantidad de carbón que contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretirá y a la que se volverá pastoso.

En el eje horizontal del diagrama de HHC se ubica el porcentaje de carbono que puede estar diluido en el hierro y en el eje vertical se señalan las temperaturas a las que van sucediendo los cambios señalados en el cuerpo de la gráfica.} Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se puede conocer la temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de estructura o estado.

Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de estructura o de estado. Por ejemplo si se tiene un hierro de 0,4% de carbón, se deberá elevar su temperatura hasta los 723° para que el hierro alfa y la perlita empiecen a convertirse en austenita y ferrita. Aproximadamente a los 800° ese mismo hierro cambiará su estructura a hierro gamma, en donde su componente principal es la austenita. A los 1480°C empieza a fundirse y arriba de los 1520°C se ha fundido todoA los hierros que están debajo de 0,8% de carbón se les llama hipoeutectoides y a aquellos que tienen más de 0,8% se llaman hiperecteutoides. El punto eutéctico es aquel en el que se logra la máxima dilución de carbón posible en un hierro a la máxima temperatura. En caso de los hierros con carbón el punto eutéctico se da con 0,8% de carbón y a 723°C. Cada vez que se rebasa una zona en la gráfica de HHC, se está cambiando de estructura en el hierro que se está tratando. HIERROS Y ACERO De acuerdo al diagrama HHC, el hierro puede aceptar determinadas cantidades de carbón diluidas, estas cantidades nunca son superiores al 4% de carbón el hierro es de muy baja calidad. Loa hierros más utilizados en los procesos de manufactura son los siguientes: Hierro dulce – C menor que 0.01% Aceros – C entre 0.1 y 0.2% Hierro fundido – C mayor que 2% y menor que 4%

Algunos ejemplos de los materiales producidos con los diferentes hierros: Hierro puro: Por lo regular es utilizado para la generación de aleaciones especiales Hierro forjado: lámina negra o material para la formación de objetos de laminado o forja. Acero: Materiales con requerimientos especiales de resistencia a la tracción, fricción y tenacidad. Hierro fundido: Artículos sin gran calidad pero con gran dureza y muy frágiles.