ESTRUCTURA INTERNA DE LOS METALES Y ALEACIONES

CONOCIMIENTO DE LOS MATERIALES

E.E.T.P. N° 476

“Miguel Castellanos”

Conocimiento de los materiales – Metales y Aleaciones

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1- INTRODUCCIÓN

Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea

diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y

los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal

(boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, teluro, polonio, ástato) tienen propiedades

tanto metálicas como no metálicas.

Los elementos metálicos más comunes son: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio,

calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio,

manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio,

plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc.

Una mezcla de dos o más metales o de un metal con un no metal se denomina aleación.

Los metales, a modo de definición, son un grupo de elementos químicos que presentan

todas o gran parte de las siguientes características:

Son sólidos a temperatura ambiente, con excepción del mercurio.

Buenos conductores de la electricidad.

Buenos conductores térmicos.

Tienen brillo, una vez pulidos.

Son duros y resistentes con posibilidades de deformación elástica y/o plástica.

Opacidad, salvo en capas muy finas.

Es necesario aclarar que los metales presentan un margen muy grande en sus

propiedades físicas.

Se llama estructura de los metales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio,

de los constituyentes de la materia en estado sólido (átomos, moléculas, grupo de

moléculas).

La estructura está ligada íntimamente con el comportamiento del metal por lo que es

conveniente efectuar un estudio elemental de la misma.

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2- ESTRUCTURA CRISTALINA Y GRANULAR 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 al estado sólido.

En los metales líquidos, calentados considerablemente por encima de su punto de

fusión, los átomos se disponen al azar, de manera irregular, con portadores de elevada

energía y movimiento.

A medida que el líquido se enfría y se acerca al punto de solidificación, la energía de los

átomos disminuye y con ello su movilidad dentro de la masa.

Al alcanzar la temperatura de solidificación, en distintos puntos, grupos aislados de

átomos enlazados adquieren una estructura rígida de orientación los unos respecto a

los otros. Es decir, ocupan ciertas “posiciones” formando un cristal elemental.

Los átomos vecinos pueden, una vez perdida la energía térmica necesaria, formar

nuevos cristales que se van agregando al cristal elemental en todas las direcciones

formando un núcleo de cristalización, así comienza a tejerse la red o estructura

cristalina.

Este crecimiento arborescente característico se llama por eso dendrítico y dendrita al

cristal que va creciendo hasta formar el grano.

Como la formación de los núcleos de cristalización puede comenzar indistintamente en

cualquier punto de la masa líquida, los cristales en crecimiento pueden comenzar a

crecer en múltiples lugares simultáneamente.

Los metales presentan tres tipos de sistemas cristalinos:

Cúbico centrado en el cuerpo.

Cúbico centrado en las caras.

Hexagonal.

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En el transcurso del crecimiento de los núcleos de cristalización, estos empiezan a tomar

contacto entre sí, por consiguiente, después de la solidificación completa, la forma

exterior de los cristales formados adquiere un carácter casual, sumamente irregular.

Tales cristales se denominan granos y los cuerpos metálicos se denominan

policristalinos.

Las impurezas de punto de fusión más bajo son expulsadas hacia “afuera” por los

cristales en crecimiento y solidifican al final formando las superficies de borde de los

granos.

Estas superficies de borde de los granos disminuyen la cohesión del metal.

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Por todo esto también se habla de estructura granular de un metal.

3- DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA

Puesto que la solidificación implica el ordenamiento de millones de átomos cabe la

posibilidad que la cantidad de cristales perfectos sea pequeña sobre todo para las

velocidades de enfriamiento que se emplea en la industria de los metales.

En efecto, los átomos (iones) del metal no tienen el tiempo suficiente para acomodarse

en la estructura cristalina, la disposición de los mismos en la red cristalina sufre distintos

tipos de perturbaciones.

Algunos de estos defectos son:

a) Vacancia de átomos en la red espacial:

El emplazamiento normal de un átomo (o de varios contiguos) no está ocupado.

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b) Presencia de impurezas:

La red se deforma por el hecho de que algunos átomos de las impurezas que

sustituyen a los átomos del metal tienen un volumen diferente.

Cuando la impureza es más grande que los átomos circundantes, éstos están a

compresión. Pero si el tamaño de la impureza es menor que el de los átomos

circundantes, éstos estarán a tensión.

c) Dislocaciones de cuña:

Las filas de átomos situados a una y otra parte de un cierto plano no están en

igual número.

En la figura se ve que por encima del plano marcado con línea de trazos hay una

fila de átomos más.

4- ENLACE METÁLICO

Ahora bien: ¿Cómo están ligados entre sí los átomos en la estructura cristalina?

En cada uno de los átomos del metal se desprenden sus electrones de valencia (capa

exterior), los cuales dan lugar a la formación de una “nube” de electrones o gas

electrónico.

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Estos electrones no se encuentran ligados a ningún átomo en particular, sino que se

mueven con gran libertad entre los iones metálicos positivos en niveles de energía

determinados.

La cohesión entre los iones metálicos se mantiene en virtud de la atracción mutua

experimentada por estos iones y la nube de electrones que los envuelve.

Estos electrones libres pueden desplazarse fácilmente por toda la masa del metal en los

vacíos dejados entre los iones, lo que explica la fuerte conductividad eléctrica de los

metales.

Por otro lado, el calor pone a los electrones en agitado movimiento, que se transmite a

otros electrones y a toda la red cristalina lo que permite entender la conductividad

térmica de los metales.

5- ALEACIONES

Cuando se dejan solidificar juntos dos o más metales, y a veces un metal con un no

metal, se obtiene una aleación con propiedades mecánicas diferentes a las de cada

componente.

Existen dos tipos de aleaciones:

A. ALEACIONES INTERSTICIALES:

En general hay un metal base (solvente) que aporta su retículo cristalino, y dentro de

éste, con cierto orden, se disponen los átomos del otro elemento (soluto), en estos casos

se habla de “solución sólida”.

Un átomo pequeño se acomoda en los huecos formados entre los átomos del metal

base. Los átomos intersticiales deben caber perfectamente en dichos espacios para que

no producir defectos en la red cristalina.

Ion metálico

Electrón Gas

electrónico

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Existen aleaciones que sólo son estables dentro de ciertos límites de contenido.

B. ALEACIONES SUSTITUCIONALES:

No siempre se forma la solución sólida, a veces los átomos de los distintos elementos

que componen la aleación se agrupan en granos diferentes.

Los átomos de los distintos elementos de la aleación cristalizan en granos diferentes.

Para que se puedan formar fácilmente y exista alta solubilidad, se deben satisfacer

algunas condiciones:

1) Los átomos del disolvente y del soluto deben poseer radios atómicos

semejantes.

2) Los metales puros deben cristalizar en estructuras semejantes.

3) Ambos metales deben poseer estructuras electrónicas comparables para

presentar el mismo estado de oxidación.

4) Ambos metales deben poseer electronegatividades semejantes, ya que, si no se

cumple, se formarían compuestos en lugar de soluciones.

6- VARIEDADES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO

Algunos metales cambian su estructura cristalina al variar la temperatura, esta

característica se denomina alotropía.

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Para el caso del hierro puro esos cambios se observan en el siguiente gráfico:

Hierro α: esta forma alotrópica existe por debajo de 900°C, en el sistema cúbico

centrado en el cuerpo, ferromagnético hasta 768 °C, deja de ser ferromagnético entre

768 °C y 900 °C, pero el sistema cristalino se mantiene. El lado del cubo es de

aproximadamente 0,287 μm a 20 °C.

Hierro γ: existe entre 900 °C y 1401 °C, en el sistema cúbico centrado en las caras, con

un lado igual a 0,363 μm a 1100 °C, es amagnético.

Hierro δ: existe de 1401 °C hasta la temperatura de fusión (1535 °C), en el sistema

cristalino cúbico centrado en el cuerpo, amagnético, con un lado de cubo de

aproximadamente 0,293 μm a 1425 °C.

El hierro presenta entonces dos variedades alotrópicas.

Estas transformaciones van asociadas a variaciones de volumen. Se podría deducir que,

a mayor temperatura, mayor volumen. Produciéndose esto entre una misma cantidad

de hierro α a hierro δ. Sin embargo, a 900 °C se produce una repentina contracción

volumétrica y a 1400 °C se produce una expansión volumétrica. Esto se debe al factor

de empaquetamiento atómico de las estructuras cristalinas.

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7- DIAGRAMA DE LAS ALEACIONES DE HIERRO CON CARBONO

Si al hierro se le agrega carbono en diferentes proporciones se forma un grupo de

aleaciones denominadas “ferrosas”, de suma importancia, llamadas aceros y

fundiciones de hierro.

El diagrama de hierro-carbono nos permite conocer, en función del porcentaje de

carbono que tiene la aleación y de la temperatura a la cual se encuentra, de que

microconstituyentes está formada.

En cada zona van apareciendo cristales de microconstituyentes que se designan con

nombres especiales:

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AUSTENITA (A)

Es el constituyente más denso de los aceros, está formada por una solución sólida con

inserción del carbono en hierro γ. La cantidad de carbono varía del 0% a 1,76% que es la

máxima solubilidad de carbono en esta fase a una temperatura de 1130 °C.

La austenita está constituida por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza

de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kgf/mm2 y un alargamiento del 30%.

La austenita no es estable a la temperatura ambiente, pero existen algunos aceros al

cromo níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura

ambiente.

Presenta las siguientes características:

Baja temperatura de fusión.

Buena tenacidad.

Excelente soldabilidad.

No magnética.

Menor ductilidad que la ferrita.

FERRITA (F)

Es una solución sólida de carbono en hierro α (la cantidad de átomos de carbono es muy

pequeña), la más blanda y dúctil de todas las fases del acero, cristaliza en la red cúbica

centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell, una resistencia a la tracción de 28

kgf/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%.

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Presenta las siguientes características:

Muy blanda.

La más dúctil de todas las fases.

Es magnética.

PERLITA (P)

Es el microconstituyente eutectoide que contiene 0,89 % de carbono y se forma a 723

°C, es una mezcla muy fina laminar formada por capas alternadas de ferrita y cementita.

Tiene una dureza de 250 Brinell, una resistencia a la tracción de 80 kgf/mm2 y un

alargamiento del 15%.

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La perlita se ve en el microscopio óptico como negra. Sin embargo, ambas fases, ferrita

y cementita en condiciones normales son blancas. El color oscuro lo producen la gran

cantidad de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de

cementita.

Mecánicamente tiene las propiedades intermedias entra la blanda y dúctil ferrita y la

dura y quebradiza cementita.

CEMENTITA (Cm)

Es carburo de hierro (Fe3C), el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al

carbono, alcanza una dureza Brinell de 700 y cristaliza en la red ortorrómbica.

Su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros.

Es metaestable, esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente. Pero si

se calienta entre 650 °C y 700 °C cambia gradualmente y se transforma en hierro α y el

carbono en forma de grafito.

LEDEBURITA (Le)

No es un constituyente de los aceros sino de las fundiciones. Se encuentra cuando en

las aleaciones de hierro carbono, el contenido de C es superior al 1,76 %. Es la mezcla

eutéctica de austenita y cementita.

Se forma al enfriar una fundición líquida de aproximadamente 4,3% de C desde 1130 °C

siendo estable hasta los 721 °C descomponiéndose a partir de esta temperatura en

ferrita y cementita.

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La ledeburita transformada (Let) está formada por cementita, cementita recristalizada

secundaria (que se separa de la austenita con la disminución de la temperatura al

enfriarse el metal) y perlita.

La ledeburita posee alta dureza y fragilidad.

Representación esquemática de la microestructura de un acero eutectoide (0,77%C)

Austenita: Buena tenacidad, excelente soldabilidad, amagnética.

Perlita: Propiedades mecánicas intermedias, blanca y dúctil de la ferrita y quebradiza de

la cementita.

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Representación esquemática de la microestructura de un acero hipoeutectoide

(↓0,77%C)

Microestructura fase γ homogénea con granos orientados al azar.

Al enfriarse se desarrolla la fase α y nos encontramos en una región bifásica.

Al bajar la temperatura, aumenta el contenido en fase α.

Al llegar a los 723 °C aproximadamente la ferrita no cambia y la austenita se transforma

en perlita.

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Representación esquemática de la microestructura de un acero hipereutectoide

(↑0,77%C)

Para temperaturas de aproximadamente 900 °C la microestructura de la fase γ es

homogénea con granos orientados al azar.

Al enfriarse desarrolla la cementita y nos encontramos en una región bifásica γ +

cementita. La cementita comienza a formarse en los límites de grano de la austenita.

Por debajo de los 723 °C toda la austenita se transforma en perlita.