Apuntes sobre Materiales Metálicos

Introducción a los Materiales Metálicos

Ciencia de los Materiales, Física del Estado Sólido y Metalurgia Física

• La ciencia de los materiales es un campo multidisciplinario que estudia los principios científicos que rigen el comportamiento de los materiales.
• La física del estado sólido es parte de la ciencia de los materiales y se enfoca en el comportamiento físico de los materiales, basándose en sus componentes elementales (celda unitaria) y su estructura cristalina.
• La metalurgia física se enfoca en el estudio de los materiales metálicos.

Metalurgia Física: Desde lo Submicroscópico a lo Macroscópico

• La metalurgia física abarca desde el estudio de la estructura submicroscópica de los materiales hasta sus propiedades macroscópicas.
• Las propiedades de los materiales se originan en su estructura atómica, tipo de enlace y distribución de átomos.
• La metalurgia física sirve como un puente entre los fenómenos naturales y la ingeniería, permitiendo la aplicación controlada de fenómenos naturales.

Procesos y Tecnología

• Un proceso es un conjunto de procedimientos para transformar una materia prima en un material primario o para dar a un material primario su forma y propiedades finales.
• Un proceso implica el uso de una o más tecnologías.
• Materias primas: materiales en su estado natural (e.g., minerales, madera).
• Materiales primarios: materias primas que han sido procesadas (e.g., barra de acero, madera).
• Tecnología: Del griego τεχνολογος, compuesto de tekne (τέχνη) - "arte, técnica u oficio" y logos (λογος) - "conjunto de saberes o conocimientos".
• La tecnología puede referirse a una tecnología específica o al conjunto de todas las tecnologías.
• La tecnología en sí no es ni buena ni mala, su valor depende de cómo se utilice.

Productos Tecnológicos y la Ciencia

• Los productos tecnológicos varían desde piezas individuales simples (palanca, tornillo, rueda) hasta máquinas complejas (reloj, motor, computadora).
• La ciencia es la investigación razonada de fenómenos para descubrir principios, utilizando el método científico.
• El desarrollo de la tecnología de los materiales está ligado a la necesidad, utilidad y costo de producción.
• La psicología, sociología y economía influyen en la tecnología de los materiales.

Sistemas, Componentes y Fases

• Sistema: Porción del universo que se aísla para estudiar.
• Componente: Cada uno de los elementos que forman el sistema. Pueden ser simples (Fe, C, Mn) o compuestos (Fe3C, AlN, Al2O3, NaCl).
• Fase: Región del sistema con las mismas propiedades físicas y químicas. Una fase no se puede separar; si se intenta, se destruye. Diferentes fases sí se pueden separar.

Equilibrio Termodinámico

• En equilibrio termodinámico, el sistema se encuentra en un mínimo de energía (relativo o absoluto).
• Las variables independientes se modifican infinitesimalmente y el sistema evoluciona hasta el equilibrio en un tiempo infinito.

Estados de la Materia: Sólido, Líquido y Transformaciones de Fase

• Sólido: Orden de largo alcance.
• Líquido: Orden de corto alcance.
• Transformaciones de fase: Fusión, solidificación (cristalización), vaporización, condensación, sublimación y volatilización.

Metales y Metaloides en la Tabla Periódica

• La tabla periódica distingue metales de no metales mediante una línea quebrada.
• Los metaloides, ubicados sobre esta línea, pueden comportarse como metales o no metales.
• Los metales se caracterizan por ceder electrones, tener brillo metálico y formar bases fuertes.
• Las propiedades de los materiales metálicos se determinan por el comportamiento colectivo de cientos de miles de átomos.
• El aluminio es un metal no ferroso importante, aunque químicamente no parezca muy metálico.
• El carácter metálico aumenta hacia la izquierda de la tabla (e.g., el sodio es más metálico que el aluminio desde un punto de vista químico).

Definición de Material y Materia

• Material: Relativo a la materia.
• Materia: Sustancia que compone los cuerpos físicos, caracterizada por extensión, inercia y gravitación.
• Los materiales son sólidos usados para fabricar objetos.

Clases de Materiales para la Fabricación

• ¿De cuántas clases diferentes de materiales disponemos para fabricar un objeto (pieza)?

La Edad de Hierro y el Desarrollo de la Metalurgia

• El descubrimiento del puñal de hierro en la tumba de Tutankamón (1343 a.C.) marca el inicio de la Edad de Hierro (1400 a.C.).

Evolución Humana y el Desarrollo Tecnológico

• Desde sus inicios, el ser humano ha desarrollado tecnología para satisfacer sus necesidades básicas.

Hitos Importantes en la Historia de la Metalurgia

• La tecnología surge con el hombre hace aproximadamente 2.000.000 de años.

Metales en el Presente

• Los metales son fundamentales en nuestras vidas.

Edades de la Piedra, Bronce y Hierro

• Edad de Piedra: 1.992.800 años.
• Edad de Bronce: 5.800 años.
• Edad de Hierro: 3.425 años.
• Desarrollo de cerámicos, polímeros, metales no ferrosos y ferrosos.

Origen de la Metalurgia

• Metal: Del griego metallon, que significa "ver, inquirir, buscar conocimiento".
• Los griegos nombraron las edades antiguas según los materiales utilizados: piedra, cobre, bronce, hierro.
• La edad de los metales marca el inicio de etapas importantes en la evolución cultural de muchas civilizaciones.
• Sideral: Perteneciente a las estrellas y a los astros.
• Ejemplos de minerales y metales: Au, Cu, $Fe<em>2O</em>3$, $Fe<em>3O</em>4$, Fe meteorítico.

Regiones Productoras de Metales en Mesopotamia

• Metales como el oro, cobre, estaño, hierro, plata, plomo y arsénico eran producidos en regiones cercanas a Mesopotamia.

Comienzo y Propagación de la Edad de Hierro

• La Edad de Hierro se originó alrededor del 1400 a.C. con los hititas y se propagó a otras regiones como India y Austria alrededor del 900 a.C.

Evolución de la Escritura

• La escritura evolucionó de pictográfica en cuevas a jeroglífica en piedra y cuneiforme en arcilla.

Periodos Históricos y la Metalurgia

• Prehistoria: Hasta 7200 a.C.
• Calcolítico: 7200 a.C. - 3400 a.C.
• Edad de Bronce: 3400 a.C. - 1400 a.C.
• Edad de Hierro: Desde 1400 a.C.
• Invención de la escritura: 3400 a.C.
• Caída de Roma: 476 d.C.
• Caída de Constantinopla: 1453 d.C.
• Revolución Francesa: 1789 d.C.
• Descubrimiento de América: 3400 a.C.

Sólidos Verdaderos vs. Sólidos No Verdaderos

• Sólidos verdaderos (cristalinos): Mantienen su forma a través del tiempo. Poseen una distribución ordenada de átomos con un patrón de repetición (celda) en las tres direcciones del espacio (periodicidad), formando una red cristalina.
• Sólidos no verdaderos (amorfos): No mantienen su forma a través del tiempo. No tienen un patrón de repetición en la distribución de átomos (no hay periodicidad) y los átomos no mantienen su posición con el tiempo.

Ejemplos de Estructuras Cristalinas y Amorfas

• Estructura cristalina: Existe una distribución ordenada de átomos que sigue un patrón de repetición (celda), que se repite en las 3 direcciones del espacio (tiene periodicidad) y se mantiene a través del tiempo. Se genera una red cristalina.
• Estructura amorfa: No existe una distribución de átomos que siga un patrón de repetición, no hay repetición en las direcciones espaciales (no tiene periodicidad), los átomos no mantienen su posición a través del tiempo. El material cambia su forma con el tiempo.

Tabla Periódica y Propiedades de los Elementos

• Referencia a la tabla periódica de los elementos y sus propiedades.

Estructura Granular de los Metales

• Los metales comerciales están formados por cientos de miles de cristales o granos microscópicos (policristalinos).
• La estructura granular solo puede ser vista con el microscopio.

Termofluencia en Metales

• A pesar de ser sólidos verdaderos, los metales pueden fluir a altas temperaturas, fenómeno conocido como termofluencia (creep), generalmente por encima de los 600 ºC.
• La termofluencia se produce por el deslizamiento de un grano sobre otro por los bordes de grano, formando huecos dentro del material.
• La formación de huecos conduce a la rotura cuando estos se unen (coalescen).
• El fenómeno es más intenso a mayor temperatura.
• Se han desarrollado aleaciones ferrosas y no ferrosas resistentes a la termofluencia mediante la modificación de su microestructura.
• Los materiales semicristalinos y amorfos fluyen a cualquier temperatura.

Solidificación de Metales y Formación de Granos

• Los metales se obtienen inicialmente mediante fusión y colada.
• Durante la solidificación, se generan cristales pequeños (núcleos) que crecen libremente como dendritas.
• El crecimiento continúa hasta que se encuentran con otros cristales, finalizando la solidificación.
• La zona donde se encuentran los cristales da origen al borde de cristal o borde de grano.

Bordes de Grano

• Esquema de la formación de un borde de grano o cristal, también llamado borde de gran ángulo, debido a que la desorientación de la estructura cristalina de un grano respecto del otro, normalmente supera los 20º.

Dimensiones Micro y Submicroscópicas en Metales

• Cristales o granos de ≈ 30 μm de diámetro ($30 \times 10^{-6}$ m). Son microscópicos.
• Cada cristal o grano posee decenas de miles de celdas, cada una de ≈ 0,3 nm de arista ($0.3 \times 10^{-9}$ m). Son submicroscópicas.
• En cada uno de los cristales las celdas están orientadas de diferente forma, pero son todas iguales porque el material es el mismo. Submicroscópicamente se puede verificar mediante patrones de difracción de rayos x.

Monocristales Metálicos

• Un monocristal metálico tiene una única orientación de su estructura cristalina (o red cristalina).

Estructura de los Cerámicos

• Los cerámicos están formados por cientos de miles de cristales o granos microscópicos que son cristalinos, que pueden ser de diferentes especies y, además, pueden contener fases vítreas (amorfas).
• La estructura de los cerámicos es más compleja que la de los metales.

Polímeros

• Los polímeros se caracterizan por enlaces covalentes y la formación de estructuras semicristalinas.

Características Definitorias de los Materiales

• ¿QUÉ CARACTERÍSTICA ES LA QUE DEFINE A UN MATERIAL?
• CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE LOS DIFERENTES MATERIALES

Clasificación de Materiales

• Metales: sólidos verdaderos (cristalinos), inorgánicos, sintéticos y naturales, dúctiles, alta conductividad eléctrica y térmica, baja resistencia al medio ambiente, unión metálica.
• Cerámicos: sólidos verdaderos (cristalinos) y no verdaderos (amorfos), inorgánicos, naturales y sintéticos, frágiles, baja conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia al medio ambiente, unión no metálica.
• Polímeros: sólidos no verdaderos, orgánicos, naturales y sintéticos, dúctiles o frágiles, aislantes, unión no metálica, termoplásticos, termorrígidos y elastómeros.
• Compuestos: sólidos formados a partir de la unión de 2 o los 3 materiales vistos. Poseen una matriz relativamente blanda y la resistencia se obtiene con algún tipo de refuerzo. Son sintéticos, caros y no existen en la naturaleza.

Selección de Materiales y Propiedades

• Para elegir un material adecuado, se deben conocer sus propiedades.
• Las propiedades se determinan mediante ensayos.

Ensayos de Materiales

• Un ensayo es una prueba para determinar la aptitud de un material para un uso determinado.
• Materias primas: los materiales tal como se encuentran en la naturaleza sin haber sufrido proceso de transformación (p.ej.: minerales (bauxita, hematita, antracita), madera, etc.).
• Materiales primarios: los materiales primarios son las materias primas que han sufrido un proceso de fabricación, en general son semielaborados (p.ej.: barra de acero, madera, etc.).

Tipos de Ensayos

• Ensayos de materias primas: pocos y muy específicos, solo sirven para una materia prima en particular.
• Ensayos de materiales primarios: muchos y de aplicación genérica, se pueden aplicar a diferentes clases de materiales.
• Ensayos científicos vs. Ensayos tecnológicos.
• Ensayos físicos vs. Ensayos químicos.
• Ensayos estáticos vs. Ensayos dinámicos.
• Ensayos destructivos vs. Ensayos no destructivos.

Ensayos Científicos vs. Ensayos Tecnológicos

• Ensayos científicos: valores absolutos, significativos por sí solos, expresados en unidades físicas, empleados en fórmulas, sirven para diseñar, están normalizados.
• Ensayos tecnológicos: valores relativos, no significativos por sí solos, se deben comparar con otros resultados, las probetas deben ser iguales, pueden o no tener unidades físicas, generalmente no se pueden emplear en fórmulas, no sirven para diseñar, pueden o no estar normalizados.

Ensayos Físicos vs. Ensayos Químicos

• Ensayos físicos: determinan una aptitud física del material: propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, densidad, estructura cristalográfica, etc.
• Ensayos químicos: determinan una aptitud química del material: composición química, carácter ácido o básico, resistencia a la corrosión, etc.

Ensayos Estáticos vs. Ensayos Dinámicos

• Ensayos estáticos: físico (velocidad de aplicación de carga lenta) o químico (sin movimiento relativo del material).
• Ensayos dinámicos: físico (velocidad de aplicación de carga influye) o químico (con movimiento relativo del material).

Ensayos Destructivos vs. Ensayos No Destructivos

• Ensayos destructivos: conllevan rotura o modificación de las propiedades originales del material (mecánicos, corrosión, etc.), se emplean probetas fabricadas especialmente, normalmente no se emplean sobre piezas terminadas.
• Ensayos no destructivos: no modifican la integridad del material, se emplean sobre piezas en proceso o terminadas, verifican la sanidad de piezas en servicio (radiografía, ultrasonido, etc.).