lo avances de la metalurgia física (1) (1)

7/25/2019 Lo Avances de La Metalurgia Fsica (1) (1)

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naiversidad Nacional de Colombia

[email protected]

SN (Versin impresa): 0012-7353

OLOMBIA

2003Asdrbal Valencia GiraldoLOS AVANCES DE LA METALURGIA FSICADyna, noviembre, ao/vol. 70, nmero 140

Universidad Nacional de ColombiaMedelln, Colombia

pp. 45-59

Red de Revistas Cientficas de Amrica Latina y el Caribe, Espaa y Portugal

Universidad Autnoma del Estado de Mxico
mailto:[email protected]://www.redalyc.org/mailto:[email protected]


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DYNA, Ao 70, Nro. 139, pp. 45-59. Medelln, Julio de 2003. ISSN 0012-7353

LOS AVANCES DE LA METALURGIA FSICA

ASDRBAL VALENCIA GIRALDOIngeniera de Materiales, Universidad de Antioquia, Medelln, Colombia.

Colaboracin especial para la Revista Dyna Nro. 140

INTRODUCCIN

Metalurgia es el arte y la ciencia de obtener losmetales a partir de sus minerales y adaptarlos alas necesidades del hombre. Hay, pues, por lo

menos dos grandes divisiones de la metalurgia:la obtencin de los metales a partir de susminerales, que es la metalurgia extractiva ometalurgia qumica; y la adaptacin a lasnecesidades del hombre, metalurgia fsica ometalurgia adaptiva. En realidad esta ltimadivisin comprende todos los sistemas de

procesamiento de los metales, desde la fundicinhasta la soldadura, por ello de un modo msrestringido se considera como metalurgia fsica ala parte de la metalurgia adaptiva que estudia las

propiedades de los metales en relacin con suestructura. Se entiende por estructura todo tipo deordenamiento interno, que va desde lasdimensiones atmicas (picoestructura), pasa porla estructura cristalina (nanoestructura), ladistribucin de las fases y cristales(microestructura) hasta la macroestructura,

producto de los procesos de fabricacin.As pues, controlando la estructura se pueden

determinar las propiedades de los metales yaleaciones; se puede ejercer control sobre laestructura por medio de procesos como lasolidificacin, la aleacin, la deformacin

plstica, los tratamientos trmicos y lairradiacin. Sin embargo, debe recordarse que a

pesar de sus fines prcticos ltimos, la metalurgiafsica aislada es de gran contenido terico, es la

base cientfica de la metalurgia adaptiva y va dela mano de la fsica y la ciencia de los materiales,

pues estudia el metal como una sustancia, sintener en cuenta su tamao y su forma

(caractersticas esenciales de los procesosindustriales).

La metalurgia fsica como disciplinareconocida apenas se inici con Sorby en 1864,

pero sus orgenes se remontan mucho ms atrsen el tiempo. Sorby aplic los mtodos

petrogrficos al acero, obtuvo fotos de lamicroestructura, reconoci constituyentes y creuna revolucin en la metalurgia fsica (ometalografa como se le llamaba entonces). Otrosnombres importantes en la metalurgia fsica delsiglo XIX fueron Anossof, von Fuchs,Widmnstatten, Martens, David, Karsten,Tchernoff, Roberts-Austen, Osmond, Neuman,Swing, Rosenhain, Young, Barlow, Tredgold,Rozebom, Gerens, Baikov, Bauschinger, Lders,Whler, Kalisher, Stead, Mathiessen, vant Hoff,Gibbs, Faraday, Berthier, Mushet, Hadfield ySauveur.

En la primera mitad del siglo XX lametalurgia fsica experiment grandes avances y

pueden mencionarse nombres asociados a elloscomo los de Taman, Debye, Bragg, Hume-Rothery, Frenkel, Wagner, Schotty, Volmer,Wiln, Merica, Waltenberg, Scott, Guinier,Preston, Polanyi, Schmid, Boas, Orowan, Taylor,White, Strauss, Braverly, Brinell, Rockwell,Vickers, Izod, Charpy, Steinberg, Bain,Davenport, Kurdjumov, Sachs, Weler, Chalmers,Kirkendall, Darken, Zener y Hollomon, entreotros [1, 2, 3, 4].

A partir de 1950 el desarrollo ha sido tanvertiginoso que es imposible seguirle el paso enesta corta introduccin. Se descubrieronmateriales, procesos, instrumentos, tratamientos ytcnicas, tantos y tan variados como elelectrovaco, la electrnica de semiconductores yla produccin de energa atmica. Todo ello hallevado a la presente revolucin de la robtica y


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la informtica, en que la metalurgia y losmateriales son esenciales. Actualmente lametalurgia fsica sigue desarrollndose y en esteresumen se pretende presentar los principalestemas en que se trabaja en este campo a

principios del siglo XXI.

LOS PRINCIPALES CAMPOS DE LA

METALURGIA FSICA

Vista la amplia variacin dimensional de laestructura de los metales, desde los picometroshasta los metros, se entiende el espacioso alcancede la metalurgia fsica, la cual elucida no slo laestructura sino tambin las transformaciones de

sta, y las propiedades de los materialesmetlicos, por medio de la fsica del estado slidoy la termodinmica qumica. Objeto central de suestudio son los mtodos experimentales. En laactualidad su campo se accin se ha extendido ala interaccin con la Ciencia de los Materiales enel estudio de materiales compuestos y otrasestructuras. En trminos generales las principalesreas temticas con que trata la metalurgia fsicason:

Mtodos experimentales para examinar los

metales La teora electrnica de los metales Cristalografa de los metales: Defectos

puntuales, dislocaciones, granos, intercaras Difusin Termodinmica de slidos: Nucleacin y

crecimiento, diagramas de fase, aleaciones Deformacin plstica y fractura Metales lquidos y solidificacin Sistemas de aleacin Microestructura y fases, granos y lmites de

grano Estructura y teora de las fases metlicas Transformaciones de fase difusivas en estado

slido: precipitacin, eutectoides, masivas,orden-desorden, celular.

Transformaciones de fase no difusivas:martenstica y masiva

Endurecimiento por precipitacin

Otros mecanismos de endurecimiento:deformacin, solucin slida, segundas fases,

partculas, fibras Deformacin y recocido: recuperacin,

recristalizacin y crecimiento de grano [5, 6]

Todos estos campos siguen siendo objeto deestudio, desde los metales lquidos hasta elrevenido, pues una de las caractersticas de lostemas que comprende la metalurgia fsica es queno estn completamente dilucidados [7, 8, 9, 10].Sin embargo, estas investigaciones han dadoorigen a materiales como los aceros de altaresistencia y baja aleacin, las aleaciones conmemoria de forma, los materiales inteligentes, losmetales superplsticos, los vidrios metlicos, lasespumas metlicas, la nanometalurgia y losaglomerados de tomos metlicos. Adems

muchos conceptos de la metalurgia fsica se hanextendido a varias disciplinas relacionadas comolas cermicas, los materiales electrnicos, lasmulticapas y los intermetlicos. Por ejemplo, laltima edicin del clsico libro de MetalurgiaFsica de Haansen tiene el siguiente contenido:Estado lquido y amorfo; estado cuasicristalino;estado nanocristalino; evolucin del orden;intermetlicos ordenados; evolucinmicroestructural; estabilidad de fases; materialesnucleares y cermicos. Este es un muestrario dela amplia variedad de temas que se van

decantando en la metalurgia fsica de inicios deeste milenio [11]. En este resumen se presentarnalgunos de los temas mencionados, como muestrade los logros que va teniendo la metalurgia fsica.

METALES LQUIDOS

El estudio de los metales en estado lquido siguesiendo un amplio campo de investigacin de la

metalurgia fsica, tanto en la parte fundamentalcomo en la tecnolgica. Falta mucho pordilucidar en la estructura de los metales lquidosy su modelacin. Un lquido se describe con el

potencial de par U(r), que expresa la energa deatraccin intermolecular y la funcin dedistribucin radial g(r), que expresa la

probabilidad de que un par de tomos dadosocupen un espacio y que est relacionada con la


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intensidad dispersada en un difractograma derayos X; por ello un lquido se puede caracterizar

parcialmente con g(r).La visualizacin corrientees que, en la ausencia de una red cristalina, elmetal lquido se considera un fluido de doscomponentes con los iones acoplados a los cuasi

libres electrones de conduccin, por medio deinteracciones culmbicas. Los iones se puedentratar clsicamente como un fondo gelatinoso

positivo, en tanto que el gas electrnico se puededescribir con la mecnica cuntica. En contrastecon los metales lquidos, los lquidos dielctricosse pueden describir muy bien como fluidos de uncomponente, constituidos por esferas duras enlos casos ms simples [12].

El problema es que las diferenciasfundamentales en la fsica bsica de los metaleslquidos y los lquidos dielctricos no se hacen

evidentes, en la masa de ambos, por difraccin,sea de rayos X o de neutrones, que son losmtodos comunes para determinar g(r) en cadalquido. Por ejemplo, la funcin g(r),que describela estructura de los lquidos en el espacio real, escasi idntica para un metal con electrones librescomo el sodio y para un lquido dielctrico simplecomo el argn [13].

Por la razn anterior mucha de lainvestigacin actual se est concentrando en lacomprensin de la superficie de los metaleslquidos, ya que sta presenta una oportunidad

relativamente nica para estudiar la diferenciaentre un metal lquido y un dielctrico puesto quelas interacciones atmicas dependen fuertementedel cambio de densidad en la intercara lquidovapor solamente en el caso del metal. En efecto,la transicin de la fase lquida a la de vaporcorresponde a una transicin desde el estadometlico (electrones cuasi libres) a un estado nometlico (electrones localizados) en el caso de losmetales lquidos. En cambio en un lquidodielctrico, el tipo de interacciones es el mismodurante la transicin lquido-vapor (interacciones

de van der Waals con electrones bien localizadosen un solo tomo o molcula)Aparte de esta consideracin fundamental, se

ha observado macroscpicamente que la tensinsuperficial de los metales lquidos es muchasveces un orden de magnitud mayor que la de loslquidos dielctricos a temperaturas similares, contodas las implicaciones prcticas que esto tiene.Pero ac lo que interesa es el hecho de que una

mayor tensin superficial suprime lasfluctuaciones trmicas de la superficie y permitela medida de su estructura microscpica.

Investigaciones como las anteriores estn a laorden del da, un buen ejemplo es el proyectoSurface Structure of Liquid Metal and Liquid

Metal Alloy Surfacesliderado por la Universidadde Harvard, con la colaboracin de loslaboratoriso nacionales Brookhaven y laUniversidad Bar Ilan de Israel. Para ello estnexperimentando con el Advanced Photon Source(APS) en el Laboratorio Nacional Argonne de losEstados Unidos [14].

En resumen, la dilucidacin del estadolquido en los metales est muy lejos de estarcompleta y por ello es un campo tan activo deinvestigacin, esto sin mencionar las aplicaciones

prcticas y las investigaciones ligadas con la

fundicin y la soldadura, que estn a la orden delda [15].

LOS VIDRIOS METLICOS

Durante los ltimos veinticinco aos, latecnologa de los vidrios metlicos se hadesarrollado rpidamente, tanto que en laactualidad se aplican en una serie de campos de

gran utilidad. Para convertir en vidrio un metalpuro se requieren velocidades de enfriamientosuperiores a 1010 K/s; sin embargo, lasaleaciones que proporcionan vidrios metlicos deinters requieren velocidades menores,aproximadamente entre 105 y 106 K/s.Desde eldecenio de 1960 empez la investigacin de estosmateriales y en 1971 se produjeron los primerosalambres largos de vidrio de paladio. Lossistemas de aleacin ms importantes son losformados por metales de transicin (Ni, Co, Fe,Zr y La) y por los metaloides (B, C, N, Si, O).

Obviamente las aleaciones frreas son las demayor inters por su costo [16, 17, 18].

Los tomos en la estructura amorfa estndistribuidos aleatoriamente, como en un lquido,en vez de estar en una red repetible y ordenada.Esta falta de estructura cristalina significa que losvidrios metlicos tambin carecen de defectoscristalinos como los lmites de grano y lasdislocaciones. Sin esos puntos dbiles, los


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vidrios metlicos exhiben propiedades mecnicasextraordinarias, comportamiento magntico yresistencia a la corrosin. En general los vidriosmetlicos son mucho ms resistentes que suscontrapartes cristalinas (por un factor de 2 y 3),son mucho ms tenaces (mucho ms que los

vidrios cermicos) y tiene lmites deformacinelstica elevados.

Por esas razones ciertas propiedades de losvidrios metlicos son notables, como la facilidadcon que se pueden magnetizar y su muy bajaresistividad elctrica y poca expansin trmica. A

bajas temperaturas ciertos vidrios metlicos setornan superconductores y ocurren otrosfenmenos electrnicos importantes. Estosmateriales son apreciablemente dctiles entraccin; algunos se pueden se pueden laminarhasta reducciones de rea de 80%.Otra propiedad

fundamental es su mejor resistencia a lacorrosin, as como sus posibilidades comocatalizadores.

Las limitaciones dimensionales de los vidriosmetlicos, apenas hasta el milmetro, se deben aque las tasas de enfriamiento, como se anot, sondel orden de 105 106 oK/s.Por ello slo podan

producirse como cintas y alambres, que se hanusado extensivamente como ncleos detransformadores, sensores magnticos ycatalizadores, pero las pequeas dimensioneslimitan sus aplicaciones estructurales. Sin

embargo, pronto se trataron trmicamente paradar aleaciones microcristalinas masivas conexcelentes propiedades mecnicas.Posteriormente la investigacin se ha centrado en

producir vidrios metlicos masivos [19].El reciente desarrollo de los vidrios metlicos

masivos ha abierto la puerta al uso de estosfascinantes materiales en aplicacionesestructurales. Estas aleaciones requieren tasas deenfriamiento de slo 1 100 oK/s, de modo quese pueden vaciar completamente vtreos hastaespesores de un centmetro por los mtodos

convencionales de fundicin. Aunque hayposibilidad de numerosas aplicacionesestructurales para estas aleaciones, se conoce

poco sobre las propiedades mecnicas y losmicromecanismos de falla [20, 21, 22].

Estos vidrios masivos se basan en alearcuatro o cinco elementos que poseen distintostamaos atmicos lo cual hace ms difcil suacomodamiento para formar estructuras

cristalinas. Ejemplos de tales aleaciones son lasde Zr Ti-Cu-Ni-Al, Zr-Ti-Ni-Cu-Be y Fe-Co-Zr-Mo-W-B [23].

Las investigaciones ms recientes sobre estosmateriales se enfocan a descubrir nuevasaleaciones que formen vidrios metlicos masivos

y tambin incluyen las tareas de sntesis demateriales, procesamiento y caracterizacin. Deeste modo se estn desarrollando nuevasaleaciones y tcnicas novedosas en numerososcentros de investigacin del mundo [24].

El otro campo en que se trabaja activamentees en el desarrollo de materiales compuestos queemplean una matriz de vidrio metlico conrefuerzos cermicos o de metales dctiles, lo cualmejora las propiedades mecnicas de los vidrios.Se investigan procesos de fundicin para producirestos compuestos con formas que requieran poco

acabado. Entre ellos estn los reforzadosextrnsecamente con fibras y partculas y los quese crecen in situ, como las dendritas de fase betade titanio en el vidrio masivo Vitreloy (Zr) ) [25,26, 27, 28, 29].

LAS ESPUMAS METLICAS

Las espumas metlicas se han convertido en un

atractivo campo de investigacin desde del puntode vista cientfico y la perspectiva de lasaplicaciones industriales. Las espumas metlicasslidas tienen muchas combinaciones interesantesde propiedades fsicas y mecnicas como laelevada rigidez junto con un bajo peso especficoo la gran permeabilidad a los gases combinadacon elevada resistencia mecnica. Por esta raznen los ltimos quince aos la investigacinsobre estos materiales se ha extendido a todas

partes [30].Existe alguna confusin sobre el trmino

espuma metlica, pues se usa de una manerageneral aunque los materiales descritos muchasveces no son espumas en el sentido estricto. Debedistinguirse entre materiales celulares, metales

porosos, espumas metlicas slidas y esponjas demetal. Los primeros se refieren a un cuerpometlico que tenga cualquier clase de vacosgaseosos dispersos en l. En el segundo caso los

poros son generalmente redondos y aislados unos


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de otros; los terceros que interesan ac sonuna clase especial de materiales celulares que seoriginan en una espuma metlica lquida y lasesponjas metlicas se refieren a una morfologaespecial de metal celular con vacosinterconectados.

Los principales mtodos para producirespumas metlicas son: espumado de lquidos porinyeccin de gas, espumado de lquidos conagentes soplantes, solidificacin eutctica deslido-gas (gasars) y espumado de compactadosde polvo.

El primer mtodo, que se usa ampliamentepara el aluminio y sus aleaciones, utilizapartculas de carburo de silicio, xido de aluminiou xido de magnesio, para aumentar laviscosidad, luego se inyecta un gas (aire,nitrgeno o argn) de modo que genere burbujas

muy finas de gas en el seno del lquido, estamezcla flota y se torna en una espuma lquidacuando el metal lquido se drena, la cual se dejasolidificar.

La segunda manera de espumar lquidos esaadiendo un agente soplante en vez de inyectargas, aquel se descompone con el calor y liberagas que propicia el espumado. Por ejemplo se usacalcio en aluminio para aumentar la viscosidad yluego se aade TiH2 como agente soplante quelibera hidrgeno en el lquido viscosoespumndolo.

El tercer mtodo se aprovecha de que algunosmetales lquidos forman un sistema eutctico conel hidrgeno gaseoso. Fundiendo estos metalesen una atmsfera presurizada de hidrgeno, seobtiene un bao homogneo cargado dehidrgeno. Al enfriar se obtiene una espuma.Gasar es un acrnimo ruso que significareforzado con gas.

Las espumas tambin se pueden producir apartir de polvos metlicos, en este caso seempieza por mezclar los polvos con un agentesoplante, despus de lo cual la mezcla se

compacta para dar un producto denso semi-acabado. Luego se hace un tratamiento trmico atemperaturas cercanas al punto de fusin de los

polvos, as se descompone el agente soplante ylibera el gas que forma los poros, obviamente estofunciona bien no slo con aluminio sino con otrosmetales y aleaciones como estao, zinc, plomo,latn y oro.

Las principales aplicaciones de las espumasmetlicas son como materiales livianos deconstruccin, para absorber energa,especialmente de impacto, para el control trmicoy acstico. Sin embargo, todava falta muchainvestigacin para optimizar nuevos

productos.[31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39]

METALURGIA COMPUTACIONAL Y

DESARROLLO DE ALEACIONES

La metalurgia computacional es la utilizacin demodelos matemticos y las herramientasinformticas para el estudio de los fenmenosmetalrgicos. Estos modelos tratan de predecir la

estabilidad y equilibrio de las fases, las tasas delas reacciones o transformaciones y las relacionesestructura propiedades. En la actualidad es unextenso campo de investigacin en metalurgiafsica. Un ejemplo es el caso de lassuperaleaciones necesarias en aplicaciones comolas turbinas de avin y los componentes demotores, que presentaremos ms adelante

Hemos sealado que, tradicionalmente, lametalurgia ha sido una de las actividades msempricas. Durante cientos de aos se han creadoy mejorado las aleaciones desde el bronce hasta

el acero inoxidable explotando, en la mayora delos casos, descubrimientos casuales hechos almezclar metales. En las ltimas dcadas esta

bsqueda ha sido ms sistemtica y con eladvenimiento de la metalurgia computacional seha desarrollado el entendimiento de cmo secambian las propiedades de un metal alendolocon otro [40].

Los mtodos de la metalurgia computacionalse pueden dividir en dos clases: aquellos que nousan ninguna cantidad obtenida emprica oexperimentalmente y los que lo hacen. Los

primeros se llaman mtodos ab initioo mtodosde losprimeros principios, mientras que los otrosse denominan mtodos empricos osemiempricos. Los mtodos ab initio son

particularmente tiles en la prediccin de laspropiedades de nuevos materiales o de nuevasestructuras complejas, y para predecir las


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tendencias en un amplio espectro de materiales.Los mtodos semiempricos son excelentes parainterpolar y extrapolar a partir de propiedadesconocidas [41].

Una de los principios en que se basan losmtodos ab initio es la teora de la densidad

funcional, la cual prueba que la energa base deun sistema electrnico estable M es funcinsolamente de la densidad electrnica (r). Con

base en esto se plantean ecuaciones tipoSchrdinger y se predicen constantes de red,

posiciones atmicas, propiedades elsticas yfrecuencias de los fonones [42].

En metalurgia, sin embargo, el desarrollo deuna nueva aleacin con atributos particulares estodava un reto muy grande: las candidatas son,casi siempre, demasiado numerosas paraensayarlas individualmente. Hay varias docenas

de metales diferentes, y an si las aleacionesfueran binarias, hay demasiadas combinaciones,sin olvidar que las proporciones de cada metal se

pueden variar.Por medio de la metalurgia computacional

esto se puede simplificar, por ejemplo,Johannesson y sus colegas buscaron lasaleaciones que mejor pudieran resistir lastemperaturas elevadas y la corrosin entre las

posibles combinaciones de 32metales, con hastacuatro metales diferentes en cada aleacin. Entotal resultaron 192 016 aleaciones posibles.

Calculando las propiedades logradas a partir delos primeros principios, combinaron lasaleaciones promisorias para generar otras nuevasms complejas y seleccionaron la mejor de cadageneracin. Tambin afinaron la bsqueda conconsideraciones prcticas, por ejemploexcluyendo los metales ms costosos [43].

Esta aproximacin identific variassuperaleaciones que ya se utilizan (encontradas

por el costoso mtodo del ensayo y el error).Tambin sugiri nuevas aleaciones promisorias,las cuales se pueden experimentar en vez de

ensayar con toda la gama entera de posibilidades.Es decir que la metalurgia computaciones puedereducir grandemente el nmero de experimentosnecesarios para el desarrollo de nuevasaleaciones.

Usando mtodos semiempricos losingenieros del Marshall Space Flight Center handesarrollado una nueva aleacin de alta

resistencia, de aluminio-silicio, que prometeayudar a reducir las emisiones de los motores y amejorar el kilometraje conseguido con la mismacantidad de gasolina, tanto en automviles y

barcos, como en vehculos recreativos.La aleacin ha sido inventada por Jonathan

Lee y es muy resistente al desgaste, y que exhibeuna gran resistencia a temperaturas de entre 260y 370 C. Comparativamente, cuando es probadaa 315 C, es entre tres y cuatro veces msresistente que las aleaciones de aluminioconvencionales y se puede producir a un preciode medio dlar por kilogramo, aproximadamente[44]. De la misma manera se estn diseandootras aleaciones, sobre todo de aluminio,magnesio y titanio.

ACEROS DE ALTA RESISTENCIA YNUEVOS ACEROS

Un ejemplo real de las aplicaciones de lametalurgia fsica han sido los desarrollos deaceros resistentes, empezando por el alambre de

piano cuya limitacin es esa, slo puedeproducirse como alambre. Mediante losmecanismos que fortalecen la martensita como elendurecimiento por solucin slida, elendurecimiento por precipitacin, el

endurecimiento estructural y endurecimientopor dislocaciones ha sido posible produciraceros con elevadas resistencias, como losmaraging. Sin embargo, despus del contenido decarbono, el mecanismo ms poderosos para darresistencia al acero ferrtico es el refinamiento degrano y esto es lo que se logra precipitandocarburos y nitrocarburos en los acerosmicroaleados o aceros de alta resistencia y bajaaleacin, que han revolucionado lasconstrucciones en acero y los cuales siguenestudindose y perfeccionndose [45].

El nmero de tipos de acero no se haduplicado desde el decenio de 1980 y la mayoradel acero que se vende es el mismo que ha estadoen el mercado por dcadas. Pero cuandocomparamos las caractersticas de desempeo delos aceros actuales con los que se usaban a

principios de la dcada de 1990, la proliferacinde productos de acero es evidente.


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La mayora de los nuevos aceros no sonnuevos tipos de acero, son productos de acero con

propiedades y caractersticas que nunca se habanlogrado en el pasado. Por ejemplo la empresasueca SSAB Swedish Steel ha desarrollado unnuevo tipo de aceros de ultra alta resistencia. Los

lmites de rotura de los nuevos aceros laminadosen fro, se hallan entre 1000 y 1400 MPa. Conestas nuevas clases de acero se pueden hacerconstrucciones considerablemente ms ligeras yobtener nuevas soluciones sin afectar a las

prestaciones.La composicin bsica de los aceros no se ha

variado gran cosa, lo que han cambiado son losprocesos y los controles de pureza y detratamiento trmico, es decir de lamicroestructura final. Una tecnologa que hacontribuido grandemente a esto es la

desgasificacin en vaco [46].La industria automovilstica estadounidenselanz el reto de sustituir el aluminio y loscompuestos de ste con acero y plante el

programa Ultralight Steel Auto Body (Ulsab) alcual se unieron treinta y tres grandes aceras delmundo. Los resultados han sido impresionantes yya estn aplicados en algunos modelos deautomviles [47].

Otro campo en el que se ha avanzado y setrabaja es en los aceros producidos por metalurgiade polvo y mtodos similares. Partiendo de un

polvo homogneamente aleado, con lagranulacin adecuada, sometido a un proceso dedifusin bajo presin y a temperaturas concretas,se elaboran unos aceros homogneos, libres desegregaciones y con propiedades virtualmenteisotrpicas, lo cual les confiere ventajas evidentesfrente a los aceros laminados [48].

Otro proceso relacionado con el anterior es elmoldeo por inyeccin de metal, MIM, quecombina el moldeo por inyeccin de los plsticoscon la metalurgia de polvos tradicional. Los pasosdel proceso MIM son: 1- Mezclar el polvo

metlico con el aglomerante orgnico; 2- Moldearcomo en la inyeccin de plsticos; 3- Remover elaglomerante por pirlisis o disolucin consolventes; 4- Sinterizar y densificar hasta ladensidad final. Se obtiene as un acero con

propiedades controladas [49]. Estos mtodos hanpermitido producir aceros porosos que secomportan como cualquier acero normal paramoldes y pueden ser maquinados, pulidos y

erosionados. Sin embargo son porosos al airepero no a la mayora de los polmeros.

Esto permite que el salga del molde, en elproceso de inyeccin, por todas partes y nosimplemente por los ventiladeros, que puedenobstruirse con el flujo plstico [50].

Antes de cerrar este resumen sobre el aceroes necesario mencionar las aceros dplex,ferrtico-austenticos, altamente resistentes a lacorrosin y de excelentes propiedades mecnicas,y los cuales continan mejorndose [51].

ALEACIONES CON MEMORIA DE

FORMA

El cambio de forma con el calentamiento no esuna cualidad especial de los materiales pero elcambio a una forma especfica s lo es. Porejemplo, el acero experimenta deformacionescuando se calienta, pero no asume una forma

particular, de otro lado una aleacin con memoriade forma si cambia directamente a una formainherente, adems el cambio es varios rdenes demagnitud mayor que en el acero.

El cambio en la forma se debe a unatrasformacin martenstica termoelstica, cuyosdetalles completos escapan a este resumen, pero

que se puede visualizar en la figura 1, aunque latransformacin es sin difusin y extremadamenterpida la frecuencia del sistema est limitada porla inercia del calentamiento y el enfriamiento.Aunque las aplicaciones bidireccionales son

posibles luego de entrenar el material, estasaleaciones estn mejor adecuadas a las tareas enuna sola va, como el posicionamiento y eldespliegue de dispositivos, como una antena en elespacio por ejemplo. En todo caso solo puedenusarse en aplicaciones de baja frecuencia y baja

precisin. La fatiga trmica tambin es problema,

por ello estos materiales tienen pocasaplicaciones en el control de vibraciones.

Los materiales ms comunes usados enestructuras adaptativas son las aleaciones conmemoria de forma, la ms comercial es el

Nitinol, o nquel y titanio combinados. Menospopulares pero utilizables son las de oro cadmio,plata cadmio, Cu-Al-Ni, cobre estao, cobre zincy Cu-Zn-Al.


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Figura 1. Ilustracin del efecto de memoria de forma: la estructura cristalina del monocristal originalen (a); luego de enfriarla hasta la temperatura de transfomacin total (Mf) se tranforma en martensita sincambio significativo en las dimensiones externas (b); luego de la deformacin mecnica (c y d) el sistemaminimiza la energa por medio de maclado (cizallamiento invariante de la red) mientras se conservan losenlaces atmicos; el calentamiento por encima de la temperatura de transformacin total a austenita (A f)revierte la fase madre a la orientacin original (e).

MATERIALES INTELIGENTES

Entre los materiales metlicos que forman partede los llamados materiales inteligentes, usados enlas estructuras adaptativas, adems de lasaleaciones con memoria de forma se encuentranlos materiales magnetostrictivos y las aleacionescon memoria de forma magntica [52, 53].

Magnetostriccin

El fenmeno de la magenotstriccin es el cambioen la forma o tamao de un materialferroelctrico, inducido por un campo magntico.Es causado por el movimiento de los lmites delos dominios magnticos, asociados con lamagnetizacin. La magnetostricin es una causade la vibracin en los transformadores, pero

tambin se usa para producir ultrasonido en unoscilador de magnetostricin haciendo que unferromagneto oscile, a una frecuencia escogida,aplicndole un campo magntico.

Tambin se ha observado que la deformacinmecnica aplicada produce alguna anisotropamagntica. As pues, los materialesmagnetostrictivos tienen la habilidad de convertirenerga magntica en energa mecnica yviceversa, esto permite usarlos como actuadoreso sensores

Una de las primeras aplicaciones prcticas

fue en el SONAR durante la segunda guerramundial. Otra fue en los sensores de torque. Losmateriales basados en nquel, usados entonces,tienen unas deformaciones muy pequeas. En1960 el terbio (Tb) y el dysprosio (Dy) seencontr que exhiban entre 100y 10,000veceslas deformaciones magnetostrictivas de lasaleaciones de nquel, pero esto slo ocurra atemperaturas elevadas.


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Se buscaba un material que, aunque operara atemperaturas elevadas, tuviera una deformacingrande y requiriera un campo magntico de bajaintensidad. Se encontr que la adicin de TbyDy para formar los compuestos TbFe2 y DyFe2llevaban las propiedades magnetostrictivas a

temperatura ambiente. Estos materiales requerancampos magnticos grandes para generardeformaciones grandes. Aleando los doscompuestos se encontr que el campo magnticonecesario se reduca considerablemente. Laaleacin resultante, Tb.27Dy.73Fe1.95 (conocidacomercialmente como Terfenol-D) es el materialmagnetostrictivo ms usado en la actualidad [54].

Las aleaciones con memoria de formamagntica (MFM)

Ciertos materiales con memoria de forma, quetambin son ferromagticos, pueden exhibir

grandes cambios dimensionales cuando se aplicaun campo magntico. Estas deformacionesocurren en la fase de baja temperatura(martenstica). Este efecto se observ por primeravez en la fase martenstica tetragonal delcompuesto intermetlico de Heusler, Ni2MnGa,

Figura 2, donde se produjeron deformaciones de0.19%con campos de 0.8Tesla a 265 K. Estasgrandes deformaciones inducidasmagnticamente (comparables a las observadasen Terfenol-D) estn asociadas con elmovimiento de los lmites de macla en la fasemartenstica bajo el impulso del cambio en laenerga de Zeeman, M.H, a travs de los lmitesde macla. Esta combinacin de memoria deforma y cambio dimensional hace que estosmateriales, descubiertos en 1996, sean de los ms

promisorios en el campo de los dispositivos

adaptativos.

Figura 2. (a) Estructura de Heusler Ni2MnGa; (b) Fase tetragonal de la misma composicin, estable pordebajo de la temperatura de transformacin martenstica (Mf) cercana a 0oC[55].

METALES SUPERPLSTICOS

Los materiales superplsticos son slidospolicristalinos que tienen la capacidad de sufrirgrandes deformaciones sin que aparezca en laregin extendida la inestabilidad plstica o sea el

cuello o estriccin. Algunos metales puedenalcanzar deformaciones hasta de 8000% sinromperse, es decir que se pueden estirar hastaalcanzar 80 veces su longitud inicial. Unalargamiento de ms del 200%en traccin indicacomportamiento superplstico. Los mayoresalargamientos reportados son de 7750% en una


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aleacin eutctica de Pb-Sn y ms de 8000%parauna aleacin B-Al [56].

Aunque este fenmeno es conocido hace yamuchos aos, la primera noticia apareci en 1912,y se conocen ya cientos de aleaciones queexhiben comportamiento superplstico queda

mucho por avanzar en la explicacin de losmecanismos que lo originan.

Para desplegar comportamiento superplsticoun material debe tener grano fino, con dimetroinferior a 5 m, debe deformarse a temperaturaelevada a una tasa muy lenta de deformacin ylos granos deben tener posibilidad de deslizarseunos sobre otros y rotar cuando se aplica latensin.

Se han avanzado muchas hiptesis sobre elmicromecanismo de la superpalasticidad en losmateriales de grano fino, pero no se ha

encontrado ninguna que pueda describir conprecisin la mecnica y la microestructura de lafractura en la deformacin superplstica. Muchasteoras han desarrollado modelos que son capacesde predecir las caractersticas mecnicas ytopolgicas de la deformacin superplstica. Sehan propuesto diferentes mecanismos sobre larecuperacin controlada del flujo dedislocaciones, donde se acepta que la tasa quecontrola el proceso es el ascenso de aquellas. Sinembargo, en este campo falta mucho por dilucidary por ello contina siendo un campo activo de

investigacin en la metalurgia fsica [57].

NANOMETALURGIA:

LOS CONGLOMERADOS DE TOMOS

METLICOS

Los conglomerados de tomos metlicosconocidos como metal clusters constituyen un

estado intermedio de la materia entre los tomoslibres y los slidos masivos. Tales nanopartculas,con sus reducidas dimensiones y alta relacinsuperficie / volumen, tienen propiedadesestructurales y electrnicas nicas, que dependenmarcadamente del tamao [58].

En cierto sentido los conglomerados detomos metlicos son el puente entre elmacrocosmos y el nanocosmos, pero fuera del

inters por su estabilidad, el nmero de tomosque los constituyen y su forma, las aplicaciones

prcticas incluyen su uso como catalizadores ycomo constituyentes promisorios en lananoelectrnica.

Una caracterstica fundamental de los

conglomerados de tomos metlicos es queciertos tamaos ocurren preferencialmente, porejemplo, en el sodio los conglomerados con 8,20, 40 o 58tomos son mucho ms abundantesque otros tamaos. Estos conglomerados

predominan porque, por alguna razn, sonexcepcionalmente estables. La secuencia deestabilidad contina con 92, 138, 198, 264, 442,554y nmeros mayores. Los conglomerados desodio, y otros metales, con estos nmeros detomos permanecen estables aun cuando estn tancalientes que no pueden solidificar y permanecen

slo como gotitas de lquido [59].Esta tendencia a formar exactamente ciertostamaos, es explicada por la mecnica cuntica,sin embargo todava queda mucho por explicarsobre cmo y cundo ocurre la transicin deconglomerado a slido o lquido masivo, ademsde cuestiones fundamentales sobre sus

propiedades y aplicaciones, razones por lascuales este campo de investigacin es bastanteactivo [60, 61].

Aunque no sirva como regalo de aniversario,una cadena de oro construida tomo a tomo

puede servirnos an para responder a una de laspreguntas bsicas de la nanotecnologa. Hastadnde podemos llegar en el mundo de lo

pequeo? Wilson Ho, y sus colegas de laUniversity of California en Irvine han descubiertola fase molecular a partir de la cual un grupo detomos se convierte en una estructura slidaconcreta, un hallazgo que podra tener unimpacto importante en el futuro desarrollo deestructuras metlicas construidas a escalamolecular. El estudio, el primero en su gnero,sugiere tambin que existe un lmite de tamao

mnimo en la construccin de molculaselctricamente conductoras.La investigacin, segn Ho, responde a

cuestiones fundamentales sobre cmo los slidosse forman a partir del ensamblaje de tomosindividuales. Nos ha permitido ver la materiaformndose en su unidad ms pequea, lo cualtendr implicaciones en la elaboracin denanoestructuras metlicas que puedan utilizarse


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en diversos campos, como el almacenamiento dedatos, circuitos electrnicos, etc.

Ho y su grupo utilizaron un microscopioSTM (scanning tunneling microscope) paraconstruir una cadena de tomos de oro, con elobjetivo de medir cmo los estados electrnicos

variaban a medida que se aadan ms tomos ala cadena. Empezando con un nico tomo yaadiendo otros sucesivamente, uno a uno,

pudieron medir la conductividad elctrica entales estados, ver cmo compartan electrones, ycomprobar cmo tales medidas cambiabandramticamente durante la adicin de tomos a lacadena. El STM posibilit no slo manipulartomos individuales sino tambin fotografiar lacadena y medir sus propiedades. Obtuvieron asuna clara conexin entre la geometra de lananoestructura fabricada y sus propiedades

electrnicas.Cuando aadieron el quinto y el sexto tomo,sin embargo, la cadena empez a exhibir las

propiedades colectivas de una estructura global,cuando sus tomos pierden sus caractersticasindividuales para asumir las de toda la estructura.Es en este punto cuando una molcula metlica sehace conductora y puede ser utilizada paraconducir electricidad.

La cadena de tomos de oro alcanz la cifrade 20 tomos, aunque en principio no hay unlmite a la longitud que podra adoptar. Desde los

6 a los 20 tomos, las mediciones de los estadospara los electrones mostraron slo pocasvariaciones, convergiendo hasta obtener las

propiedades tpicas de los slidos con un mayornmero de tomos. Segn este experimento, unaestructura de oro funcional podra fabricarse conslo seis tomos.

Efectivamente, Ho y sus colegas hanrespondido a la pregunta de cuntos tomos sonnecesarios para construir un material que tengauna utilidad potencial. No es prctico producir enmasa cadenas de este tipo como conductores

unidimensionales, catalizadores o sistemas dealmacenamiento de datos, pero los estudiosproporcionan la base cientfica para la futurananotecnologa, ya que contribuyen a nuestracomprensin del comportamiento de la materia enfuncin de su tamao [62].

COMPUESTOS INTERMETLICOS ORDE-

NADOS

Los metales forman soluciones slidasintermedias, las cuales pueden tener estructuras

muy diferentes a las de los constituyentes. Estasfases intermedias, se pueden extender enintervalos amplios de composicin. Cuando estnrestringidas a un intervalo estrecho decomposicin, cercano a una relacinestequiomtrica simple como AB, A3B, AB2, etc.,se les denomina compuestos intermetlicos. Encualquier caso, la mayora de las fasesintermedias poseen estructuras cristalinas que sondiferentes a las de cualquiera de los elementoscomponentes. En muchos sistemas metlicos lasfases intermedias se forman tambin a

composiciones que requieren frmulas extraas,por ejemplo Cu5Si, Fe5Zn21 o KHg10.

El papel de las fase intermedias en tecnologaes muy importante, su empleo como principalesconstituyentes de las aleaciones puede impartir

propiedades nicas a materiales especializadospara crisoles, turbinas, herramientas, diodos,conductores, superconductores, imanes, etc. y sise usan como constituyentes menores juegan

papel importante en muchas aleacionescomerciales como aceros, duraluminios,materiales resistentes al desgaste, imanes, hojas

de rotores, etc. para mencionar slo unos pocos.Las fases de intervalo de composicin estrecho,los compuestos intermetlicos, son los que ms

pueden actuar como constituyentes finos ydispersos que aumentan la resistencia de laaleacin.

La clasificacin ms comn de las fasesintermedias es en tipos estructurales similares(fases isomorfas) o grupos en los cuales parece

predominar un determinado tipo de enlace. As sepuede hablar de compuestos normales devalencia, fases electrnicas, fases de Laves, fases

tipo Ni-As, compuestos de coordinacin, fasesintersticiales, estructuras compactas, etc.

La designacin cristalina de las estructurascomunes se hace en una publicacin :Strukturbericht. La estructura fcc se denominaA1, la bccA2, la hcpA3, la del diamante A4, etc.


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Normalmente las fases y compuestos sedenominan con letras griegas, latinas o frmulas,

por ejemplo latn , Cu5Zn8o D82.Un tipo de fases intermedias son las fases

electrnicas, que se forman con enlace metlicoentre elementos que tienen aproximadamente los

mismos tamaos atmicos y poseenelectronegatividades similares. Se llamanelectrnicas porque se forman con proporciones

precisas entre electrones de valencia electrones ylos tomos, tal es el caso del NiAl, que tiene unarelacin e/a = 3/2.

Los compuestos intermetlicos a que nosqueremos referir en esta resea tienencomposiciones como Ni3Al, FeCo. Ti3Al, TiAl,Cu3Au, Ti5Si3, Ni2AlTi, Ti2AlNb; algunos soncompuestos de lnea porque se representan conuna lnea, en el diagrama de fases, otros pueden

alejarse considerablemente de sus composicionesideales. Una caracterstica comn que tienen esque son atmicamente ordenados, porque elenlace entre tomos distintos es ms fuerte queentre los iguales, por eso constituyen una claseespecial de materiales metlicos que formanestructuras cristalinas con orden de largo alcancecomo se ve en la figura 1. Algunos intermetlicosse pueden desordenar calentando por encima de latemperatura crtica pero esto slo es posible enlos compuestos de orden dbil, como Cu3Au; eningeniera interesan los intermetlicos que estn

fuertemente ordenados por debajo de latemperatura crtica, Tc[63].Algunos materiales de esta clase, con Tc

lo avances de la metalurgia física (1) (1)

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