¿Por qué los metales son maleables y dúctiles?

Question

¿Por qué los metales son maleables y dúctiles? Estas dos propiedades parecen estar relacionadas. ¿Es posible una comprensión microscópica de estas propiedades?

Answer 1

Hagamos una comparación con la cerámica, que al igual que los metales son generalmente dúctiles, son generalmente frágiles.

En primer lugar, hay que tener en cuenta que los cristales (y tanto los metales como las cerámicas son generalmente policristalinos) pueden deformarse mediante el movimiento de dislocación. Una dislocación es un defecto de línea que transporta la plasticidad a través de un cristal. La analogía clásica es mover una alfombra pateando una arruga en su longitud. No es necesario deformar todo el cristal a la vez; basta con barrer una (o muchas) dislocaciones a través del material, rompiendo un número relativamente pequeño de enlaces a la vez.

He aquí una simple ilustración de una dislocación curva que transporta el cizallamiento a través de un cristal; el paso de la dislocación deja un nuevo escalón permanente:

Así que esta es una forma muy conveniente de lograr una deformación permanente. Sin embargo, es mucho más fácil romper estos enlaces en los metales que en los cerámicos porque los enlaces metálicos en los primeros son más débiles que los enlaces iónicos/covalentes en los segundos (como demuestra el hecho de que los cerámicos son generalmente refractarios, es decir, tienen altas temperaturas de fusión). En particular, la naturaleza deslocalizada de los electrones en los metales permite que la dislocación se deslizan con facilidad . Esto equivale a la ductilidad/malleabilidad. (Los dos términos son idénticos para esta discusión; sólo difieren en el tipo de condiciones de carga que dan lugar a una fácil deformación).

Además, en los metales con una estructura cristalina cúbica centrada en la cara (piense en el oro o el cobre, por ejemplo), la simetría estructural ofrece muchas posibilidades planos de deslizamiento a lo largo de la cual las dislocaciones pueden propagarse fácilmente. Esto equivale a una ductilidad/malleabilidad aún mayor.

Esta es una ilustración de una estructura cúbica centrada en la cara; el estrecho empaquetamiento de los átomos en múltiples planos permite que las dislocaciones salten sólo distancias cortas, facilitando enormemente su paso:

Por el contrario, el movimiento de dislocación está tan fuertemente obstaculizado en la cerámica (porque los enlaces son direccionales y las cargas están rígidamente fijadas) que puede requerir menos energía simplemente romper todos los enlaces a la vez, lo que corresponde a la fractura y fragilidad del bulto.

Una consecuencia de estas diferencias microscópicas entre los metales y la cerámica es la forma en que responden a las grietas o a los defectos. Una grieta pronunciada produce una concentración de tensiones, esencialmente porque el campo de tensiones tiene que girar bruscamente a su alrededor. En un metal, esta concentración de tensiones no es un gran problema: algunas dislocaciones se desplazan, lo que provoca una deformación plástica y un embotamiento de la punta de la grieta. Esta opción es mucho menos probable en una cerámica debido a los impedimentos al movimiento de las dislocaciones. Puede ser más fácil romper los enlaces de forma permanente y formar una nueva superficie abierta en la zona que antes estaba sometida a grandes tensiones. Este es el mecanismo de propagación de la grieta, y si la grieta continúa propagándose, se obtiene la fractura en bloque.

Answer 2

Los metales son maleables y dúctiles debido a los enlaces metálicos. El enlace metálico es diferente del enlace iónico y covalente. El enlace metálico es un tipo de enlace propio. Los enlaces metálicos se describen con la teoría moderna de los enlaces aplicando la ecuación de schrodinger a cada átomo y acercando cada vez más los átomos para formar tantas funciones de onda como el número de átomos. Hay formaciones de onda de enlaces y antienlaces que describen las posibles funciones de onda. Todas ellas forman las posibles energías de banda. Los enlaces dentro de una estructura cristalina sólo mantienen la estructura unida si el estado de energía media de los enlaces es inferior a los estados aislados. Los metales tienen una estructura de energía de enlace media inferior a la de los átomos aislados. Hay que conocer el nivel de fermi para saber qué pasa con los electrones de valencia dentro de un metal. Se pueden buscar tablas para este nivel de energía de diferentes metales de interés. El nivel de energía de fermi es el estado de energía superior de todos los electrones emparejados en el cero absoluto. En el cero absoluto todos los electrones del interior están emparejados y llenan secuencialmente los estados ocupables desde la energía inferior hasta la energía de Fermi. Cuando un metal se calienta, los electrones pueden pasar a estados de energía más altos hasta llegar al nivel de vacío, que es el mayor antienlace posible dentro de la estructura. Pasado el nivel de vacío, un electrón es expulsado del metal. La energía de fermi es importante porque es, milagrosamente, la energía media de los electrones dentro de la estructura metálica por encima del cero absoluto. En los metales existe una banda de conducción que es posible porque todos los orbitales se solapan y el electrón exterior tiene un nivel de ionización muy bajo. La banda de conducción está muy cerca del nivel de energía de fermi. Se necesita muy poco calor o diferencia de potencial para que los electrones suban a los estados de energía de conducción más altos para moverse dentro de su estructura. La diferencia entre la energía de fermi y la banda de conducción se conoce como Band Gap. En los conductores, la brecha de banda no existe realmente porque los orbitales se superponen y comparten un electrón móvil. El solapamiento de orbitales y el electrón móvil crean un espectro energético continuo. Los electrones pueden ocupar continuamente estados de energía más altos. Básicamente, el estado de enlace entre dos átomos de metal es más bajo que el de un solo átomo y un solo átomo tiene que ionizar su electrón para formar el enlace. Si estás familiarizado con la función de trabajo de un metal (nivel de energía de Fermi + energía del fotón para expulsar el electrón). la banda de conducción se encuentra entre este punto y el nivel de Fermi, pero del orden de algo lo suficientemente pequeño como para permitir que el electrón se mueva por la estructura con mucha facilidad y nunca pertenezca a un átomo en particular. Sin embargo, la banda de conducción puede estar justo en el nivel de fermi. Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, los electrones dentro de una estructura metálica se representan como ondas viajeras. Se sabe que forman una especie de nube de electrones dentro de la estructura que pega los átomos entre sí gracias a la atracción coulómbica entre los átomos de carga iónica positiva ionizada. Se pueden visualizar bolas perfectamente apiladas con capas perfectas y de forma cúbica con una especie de nube que las mantiene unidas. A medida que los electrones se mueven crean un agujero y éste es una nueva ubicación para un electrón diferente. Los electrones se mueven al azar o por energía imput. En el promedio siempre hay suficiente carga de electrones para pegar las cosas porque al azar hay un cierto promedio para querer llenar el agujero o la una energía externa los electrones tienen una dirección en el agujero de una fuente más atrás. La maleabilidad y ductilidad es un resultado de la unión metálica. Debido a que los electrones pueden moverse con bastante facilidad, los átomos metálicos pueden ser manipulados para ser desplazados de la manera deseada y nada restringe la nube de electrones de moverse de nuevo alrededor de los átomos desplazados. La maleabilidad y la ductilidad parecen ser posibles gracias a este fenómeno. La fuerza del material tiene que ver con la alineación de las formaciones cristalinas. Por eso un metal ablandado se ablanda durante el proceso de enfriamiento lento. Los átomos intentan formarse en un cristal perfecto. Pero cuando se calienta y se enfría lo suficientemente rápido, esta estructura cristalina se rompe en estructuras subcristalinas (una estructura formada por más de una estructura cristalina más pequeña). Probablemente debido a los principios de la termodinámica. ¿Quizás las oleadas de la nube de electrones de las regiones más calientes a las más frías ocurren de manera intrínseca para crear suficiente fuerza a lo largo de ciertos puntos para cambiar las cosas proporcionalmente a la fuerza colectiva de los subcristales? En cualquier caso, este proceso da a todo el metal un efecto más fuerte y frágil. Después, los electrones pueden desplazarse por el acero endurecido como antes, pero las vías han cambiado. Para la maleabilidad y la ductilidad, el estado de la estructura cristalina probablemente se promedia para mantener la misma formación cristalina original, pero los niveles se aplastan (es decir, la parte inferior/superior/a