T-2: El Estado Metálico
En el estado metálico, los átomos que componen la sustancia están unidos mediante el **enlace metálico**. Esto significa que los átomos ionizados quedan unidos mediante una **nube de electrones deslocalizados** que rodea a los núcleos. Esta nube electrónica deslocalizada garantiza las altas **conductividades térmicas y eléctricas** que presentan los metales.
Los metales son **sólidos cristalinos**, agregados de pequeños cristales o granos orientados al azar. Cada **grano metálico** constituye un edificio cristalino. Por lo tanto, un metal es un **sólido policristalino**.
Fuerzas de Cohesión en Sólidos Metálicos
Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en los sólidos metálicos son elevadas, siendo las debidas al enlace metálico. Son de tipo **electrostático** y tienen su origen en los orbitales incompletos.
Las fuerzas teóricas de atracción en los metales son del orden de 100 a 1000 veces superiores a las reales obtenidas por ensayos en laboratorios.
Tipos de Fuerzas Interatómicas
- Fuerzas de atracción (Fa): Tienden a disminuir la energía interna.
- Fuerzas de repulsión (Fr): Tienden a aumentar la energía interna.
El equilibrio de fuerzas hace que los átomos se mantengan a una **distancia de equilibrio (x0)** entre los centros de sus núcleos. Los átomos no se quedan fijos en sus posiciones, sino que están vibrando. Los átomos forman cristales, y a cada cristal se le llama **grano**.
Análisis del Equilibrio
La fuerza resultante (R) es la suma vectorial de las fuerzas de atracción y repulsión:
R = Fa + Fr = |Fa| – |Fr|
Cuando R = 0, se alcanza la distancia de equilibrio: x = x0.
Módulo Elástico y Ley de Hooke
El **módulo elástico (E)** solo depende del tipo de enlace.
Según la Ley de Hooke:
E = σ/ε = (F/S) / (dx/x0) = (F/dx) · (1/S) · x0 = tgα · (x0/S)
Si la sección (S) es unitaria (S=1), entonces E = x0 · tgα.
La magnitud **E** representa la fuerza por unidad de área que hay que realizar para que la longitud de una probeta aumente al doble de la inicial. En los aceros, el valor típico es: E = 21000 Kp/mm2 = **210000 MPa**.
Estudio de Energías de Enlace
La **Energía de Enlace (Er)** es la energía necesaria para romper un enlace metálico.
- Er = ∫x∞ (R · dx) = -Ei
- Er0 = ∫x0∞ (R · dx) = -Ei,min
Donde:
- Ei es la energía interna de la sustancia.
- Er0 es la energía necesaria para romper el enlace desde su estado de equilibrio.
- x es la distancia interatómica.
A medida que aumenta la energía interna (Ei), disminuye la energía necesaria para romper el enlace (Er), y viceversa.
Propiedades Relacionadas con la Energía de Enlace
Las propiedades de los metales que están directamente relacionadas con la energía necesaria para romper el enlace son:
- La **temperatura de fusión**.
- La **tensión de rotura** y el **límite elástico**.
- La energía necesaria para la **deformación**.
Solidificación de un Metal Puro
Desde su estado líquido, cuando su temperatura alcanza θF (temperatura de fusión), ocurre el proceso de solidificación en las siguientes etapas:
- Aparición de gérmenes o embriones: Primeras agrupaciones de átomos que quedan unidos.
- Reunión de gérmenes para formar núcleos: Tienen lugar en las zonas más frías (zonas en contacto con las paredes).
- Crecimiento de dendritas: Cuando estos núcleos han crecido un poco, se aprecia una estructura cristalina que se conoce como **dendritas**.
Las dendritas, al crecer, lo hacen con una estructura totalmente cristalina (ordenada). A medida que van creciendo, llega un momento en que chocan por falta de espacio. Esta zona de contacto es una zona cristalina pero amorfa.
Grano y Borde de Grano
- Grano: Región interior que queda rodeada por la zona desordenada. Tiene una estructura totalmente **cristalina ordenada**. El grano presenta propiedades de **anisotropía**.
- Borde de Grano: Región que rodea el grano. Presenta una estructura cristalina pero **desordenada o amorfa**.
Las regiones de borde de grano son zonas de **máxima energía** debido a que los átomos están más alejados entre sí. La energía interna de las regiones de borde de grano es mayor que la propia del grano.
Desde el punto de vista macroscópico, el metal constituido por muchos granos cristalinos presenta **isotropía** debido a la diferente orientación de los cristales de cada grano y a que en las zonas de borde de grano hay mucho desorden.
Propiedades de los Metales
Resistencia Térmica y Mecánica de un Metal Puro
El equilibrio de energía se define como:
Er = Em + Ec(T)
Donde:
- Er: Energía de rotura (energía de enlace).
- Em: Energía mecánica aplicada.
- Ec(T): Energía cinética de vibración de los átomos en sus posiciones de equilibrio (estado de agitación, dependiente de la temperatura T).
El enlace se rompe cuando Er < Em + Ec(T). Esto se puede conseguir añadiendo Em, por calentamiento del metal (aumentando Ec(T)) o por ambos a la vez.
Resistencia Térmica (Em = 0)
Para romper el enlace por calor: Er < Ec(T).
- Er0 = ∫x0∞ (Rdx) = EC0: Energía para romper el enlace atómico dentro de los granos.
- Er1 = ∫x1∞ (Rdx) = Ec1: Energía para romper el enlace atómico en bordes de grano.
Dado que x1 > x0, se cumple que **Er1 < Er0**.
Conclusión: La resistencia térmica de un metal es muy elevada, próxima a Er0, pero un poco inferior a esta. Es **más fácil destruir mediante calor el borde de grano que el grano**.
Resistencia Mecánica (Ec(T) = 0)
Para romper el enlace por fuerza: Er < Em(F).
Un metal con **tamaño de grano pequeño** tiene **mayor resistencia mecánica** que otro con tamaño de grano grande, porque tiene mayor superficie de borde de grano.
La fuerza que se necesita para la rotura mecánica es muy pequeña en comparación con la fuerza de enlace, porque la rotura ocurre principalmente por **deslizamiento** (slip).
La zona más débil frente al deslizamiento es el **interior del grano**, mientras que la zona más fuerte es el **borde de grano**.