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Originalmente, los peniques estaban hechos sólo de cobre, pero más tarde se fabricaron con una aleación de cobre y zinc debido al aumento de los costes del cobre. En este artículo aprenderemos sobre laestructura de los metales y las aleaciones.
- En primer lugar, veremos los conceptos básicos de los metales y definiremos las aleaciones.
- A continuación, veremos la estructura básica y las propiedades de los metales y las aleaciones
- Luego veremos la composición y estructura de las aleaciones
- También veremos las estructuras atómicas de cada una de ellas
- Por último, veremos los tres tipos de estructuras cristalinas que pueden formarse y cómo conforman la estructura del grano.
Introducción a los metales y las aleaciones
Antes de sumergirnos en la estructura de los metales y las aleaciones, vamos a profundizar en los tipos de elementos que se encuentran en la tabla periódica. Hay tres tipos de elementos
metaloides
metales
no metales
Tabla periódica ordenada por tipo de elemento. Wikimedia commons.
Como verás en rosa, hay muchos metales, que se agrupan en función de las propiedades que comparten (de las que hablaremos más adelante).
Los metales pueden formar aleaciones.
Una aleación es una mezcla de dos o más metales o una mezcla de un metal y un no metal.
Hay dos tipos de aleaciones: 1. Aleaciones sustitutivas
2. Aleaciones intersticialesEn una aleación sustitutiva, algunos átomos de un metal se sustituyen por átomos de otro elemento de tamaño similar. En una aleación intersticial, los átomos más pequeños de otro elemento rellenan los "huecos" de la estructura de un metal.
Estructura y propiedades de los metales y las aleaciones
Hablemos ahora de la estructura y las propiedades de los metales y las aleaciones. Los metales se distinguen por sus características únicas. Entre ellas están
Alto punto de fusión
Buenos conductores del calor y la electricidad
Maleables (se pueden doblar/formar fácilmente)
Dúctiles (pueden estirarse fácilmente sin romperse)
Alta densidad
Aunque podrías suponer que las aleaciones comparten las características de los metales individuales de los que están hechas, te equivocarías. Normalmente creamos aleaciones como forma de "maximizar" determinadas características.
La diferencia entre los metales y las aleaciones son
Las aleaciones son más duras que los metales que las componen
Las aleaciones son más resistentes a la corrosión que los metales puros
Las aleaciones tienen un punto de fusión más bajo que los metales componentes
Las aleaciones son más dúctiles que los metales componentes
Las aleaciones son más duraderas que los metales componentes
Las aleaciones son menos conductoras que los metales componentes
Estas propiedades hacen que las aleaciones sean más útiles que los metales puros. Por ejemplo, el acero (hierro + carbono) es una aleación habitual en los materiales de construcción. Esto tiene sentido porque puede soportar más peso, es menos probable que se corroa y puede moldearse más fácilmente que el hierro.
Composición y estructura de las aleaciones metálicas
La estructura general de una aleación metálica depende de su composición. Las aleaciones pueden tener diferentes proporciones de metales y pueden tener varios metales en su interior. Aquí tienes una tabla con algunas aleaciones comunes y sus composiciones.
| Nombre de la aleación | Composición | Ejemplo de uso |
| Amalgama | Mercurio (45-55%), resto (45-55%): plata, estaño, cobre y zinc | Limaduras dentales |
| Latón | Cobre (65-90%), zinc (10-35%) | Pomos y cerraduras de puertas |
| Bronce | Cobre (78-95%), estaño (5-22%), % restante: manganeso, fósforo, aluminio o silicio | Estatuas |
| Hierro fundido | Hierro (96-98%), carbono (2-4%), % restante: silicio | Utensilios de cocina |
| Bronce de cañón | Cobre (80-90%), estaño (3-10%), zinc (2-3%), % restante: fósforo | Pistolas |
| Estaño | Estaño (80-99%), % restante: cobre, plomo, antimonio | Artículos decorativos |
| Acero inoxidable | Hierro (>50%), cromo (10-30%), % restante: carbono, níquel, manganeso, molibdeno y otros metales. | Joyería |
| Plata de ley | Plata (92,5%), cobre (7,5%) | Herramientas médicas |
Estructura atómica del metal y las aleaciones
La estructura atómica de un metal es bastante simple:
Estructura de un metal puro. StudySmarter Original.
Los átomos están perfectamente alineados y son todos del mismo tamaño. No tienen por qué tener forma de rectángulo, pero siempre están espaciados uniformemente y relativamente juntos.
Las aleaciones son diferentes. La estructura atómica depende del tipo de aleación: sustitucional o intersticial.
Éste es el aspecto de una aleación sustitucional:
Estructura de una aleación sustitucional. StudySmarter Original
Como su nombre indica, los átomos de un metal se sustituyen por los de otro. Estos nuevos átomos tienen un tamaño similar al de los átomos del otro metal.
También existen las aleaciones intersticiales:
Estructura de una aleación intersticial. Original de StudySmarter.
En una aleación intersticial, los átomos del segundo metal son mucho más pequeños que los del metal puro original. Estos átomos más pequeños encajan en los "huecos" de la estructura original.
Estos tipos de aleaciones pueden combinarse, por lo que una aleación puede tener una estructura que sea una combinación de las dos mostradas anteriormente.
Estructura cristalina de los metales y las aleaciones
Los metales y las aleaciones suelen tener una estructura cristalina. Hay tres estructuras principales que puede tener un cristal:
Cúbica centrada en el cuerpo(CCC)
Hexagonal cerrada (HCP)
Cúbica cerrada (CCP)/cúbica centrada en la cara (FCC)
Cuando observamos estas estructuras, a menudo nos referimos a la celda unitaria.
La celda unitaria es la sección más pequeña de la red que muestra el patrón tridimensional de todo el cristal.
En esencia, un cristal no es más que la misma celda unitaria repetida varias veces. Los metales y las aleaciones forman estas estructuras, ya que llenan el espacio de la forma más eficaz.
El primer tipo de cristal es el cúbico centrado en el cuerpo (CCC). Su estructura se muestra a continuación:
Célula unitaria cúbica centrada en el cuerpo y estructura completa. StudySmarter Original.
La forma general es un cubo, con un átomo en cada esquina. También hay otro átomo en el centro del "cuerpo", de ahí el nombre.
A continuación, tenemos la estructura hexagonal de paquete cerrado (H CP):
Estructura hexagonal de empaquetamiento cerrado y celda unitaria. StudySmarter Original.
La celda unitaria de este tipo es mucho más compleja. Las caras superior e inferior de la estructura son hexágonos, con un átomo en cada punta y en el centro. En el centro de la célula hay una forma triangular, con un átomo en cada punto.
Por último, tenemos la estructura cúbica empaquetada cerrada (CCP)/cúbica centrada en la cara (FCC) :
Celda unitaria y estructura cúbica de empaquetamiento cerrado/cúbica centrada en la cara. StudySmarter Original.
Al igual que con la estructura BCC, la forma básica es un cubo. Hay un átomo en cada esquina y uno centrado en cada cara.
Estructura granular de metales y aleaciones
Las estructuras cristalinas individuales se agrupan para formar granos. Estos granos se combinan para formar la estructura de grano, que se puede ver al microscopio. La imagen siguiente muestra la estructura granular del acero inoxidable.
Estructura de grano del acero inoxidable al microscopio. Wikimedia commons.
El tamaño y la orientación de los granos dependen de:
- La composición (aleación)
- Influencias químicas (ej. corrosión)
- Influencias físicas (ej. calor)
- Influencias mecánicas (debidas al proceso de conformación, p. ej. forja)
Los propios granos se forman cuando el material fundido se solidifica. La estructura del grano se adapta a la aplicación de la aleación metálica. Por ejemplo, la estructura de grano del cuproníquel está diseñada para que el metal pueda prensarse para fabricar monedas de cinco y diez céntimos.
Observar la estructura del grano (también llamada microestructura) puede indicarte las propiedades del material, como la resistencia, la dureza y la ductilidad.
Estructura de los metales y las aleaciones - Puntos clave
- Una aleación es una mezcla de dos o más metales o una mezcla de un metal y un no metal.
- Hay dos tipos de aleaciones: 1. Aleaciones sustitutivas 2. Aleaciones intersticiales
- Las diferencias entre metales y aleaciones son: ~Más duros que los metales componentes ~Más resistentes a la corrosión que los metales puros ~Punto de fusión más bajo que los metales componentes ~Más dúctiles que los metales componentes ~Más duraderos que los metales componentes ~Menos conductores que los metales componentes
- En una aleación sustitutiva, los átomos de un metal ocupan el lugar de algunos átomos de otro. En una aleación intersticial, los átomos de un metal encajan en los huecos de la estructura de otro metal.
- Hay tres estructuras principales que puede tener un cristal:
- Cúbico centrado en el cuerpo (CCB)
- Hexagonal de paquete cerrado (Hcp)
- Cúbico de paquete cerrado (ccp)/cúbico centrado en la cara (fcc)
- La celda unitaria es la sección más pequeña de la red que muestra el patrón tridimensional de todo el cristal.
- Las estructuras cristalinas se combinan para formar granos, que forman la estructura de grano. Esta estructura se altera en función del uso del metal o la aleación.
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