¿Por qué los metales son maleables y dúctiles?

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

Primero, tenga en cuenta que los cristales (y los metales y las cerámicas son generalmente policristalinos) pueden deformarse a través del movimiento de dislocación. Una dislocación es un defecto de línea que transporta plasticidad a través de un cristal. La analogía clásica es mover una alfombra pateando una arruga a lo largo. No necesitas deformar todo el cristal a la vez; solo necesita barrer una (o muchas) dislocaciones a través del material, rompiendo una cantidad relativamente pequeña de enlaces a la vez.

Aquí hay una ilustración simple de una dislocación curva que lleva un corte a través de un cristal; el paso de la dislocación deja un nuevo paso 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 últimos (como lo demuestra el hecho de que los cerámicos son generalmente refractarios, es decir, tienen un alto punto de fusión). temperaturas). En particular, la naturaleza deslocalizada de los electrones en los metales permite que la dislocación se deslice fácilmente . Esto equivale a ductilidad/maleabilidad. (Los dos términos son idénticos para esta discusión; solo difieren en el tipo de condiciones de carga que dan como resultado una deformación fácil).

Además, en los metales con una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (piense en oro o cobre, por ejemplo), la simetría estructural proporciona muchos posibles planos de deslizamiento a lo largo de los cuales las dislocaciones pueden propagarse fácilmente. Esto equivale a una ductilidad/maleabilidad aún mayor.

Aquí hay una ilustración de una estructura cúbica centrada en las caras; el empaquetamiento cercano de átomos en múltiples planos permite que las dislocaciones salten solo distancias cortas, lo que facilita 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 en masa y la fragilidad.

Una consecuencia de estas diferencias microscópicas entre metales y cerámicas es la forma en que responden a las grietas o fallas. Una fisura pronunciada produce una concentración de tensión, esencialmente porque el campo de tensión tiene que girar bruscamente a su alrededor. En un metal, esta concentración de tensión no es un gran problema: algunas dislocaciones se moverán, lo que dará como resultado una deformación plástica y el embotamiento de la punta de la grieta. Esta opción es mucho menos probable en una cerámica debido a los impedimentos para el movimiento de dislocación. Puede que sea más fácil romper los enlaces de forma permanente y formar una nueva superficie abierta en el área que antes estaba sometida a mucha tensión. Este es el mecanismo de propagación de grietas, y si la grieta continúa propagándose, se obtiene una fractura masiva.

Los metales son maleables y dúctiles debido a la unión metálica. El enlace metálico es diferente del enlace iónico y covalente. La unión metálica es su propio tipo de unión. Los enlaces metálicos se describen con la teoría moderna de enlaces aplicando la ecuación de Schrödinger a cada átomo y acercando los átomos para formar tantas funciones de onda como número de átomos. Hay formaciones de ondas de enlaces y antienlaces que describen las posibles funciones de onda. Todos estos forman las posibles bandas de energía. Los enlaces dentro de una estructura cristalina solo mantienen unida la estructura si el estado de energía enlazado promedio es más bajo que los estados aislados. Los metales tienen una estructura de energía enlazada promedio más baja que los átomos aislados. Se debe conocer el nivel de Fermi para averiguar qué sucede junto a los electrones de valencia dentro de un metal. Se pueden consultar 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 internos están emparejados y llenan secuencialmente los estados ocupables desde la energía inferior hasta la energía de Fermi. Cuando se calienta un metal, los electrones pueden pasar a estados de mayor energía hasta el nivel de vacío, que es el antienlace más alto posible dentro de la estructura. Más allá del nivel de vacío, se expulsa un electrón del metal. La fermi-energía es importante porque milagrosamente es la energía promedio de los electrones dentro de la estructura metálica por encima del cero absoluto. Hay una banda de conducción en los metales que es posible porque todos los orbitales se superponen 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 impulsar a los electrones a los estados de energía de mayor conducción para moverse dentro de su estructura. La diferencia entre la energía de Fermi y la banda de conducción se conoce vagamente como Band Gap. En los conductores, la brecha de banda no existe realmente debido a que los orbitales se superponen y comparten un electrón móvil. El electrón superpuesto y móvil orbital crea un espectro de energía continuo. A los electrones se les permite continuamente ocupar estados de mayor energía. Básicamente, el estado de enlace entre dos átomos de metal es más bajo que un solo átomo y un solo átomo tiene que ionizar su electrón para formar el enlace. Si está familiarizado con la función de trabajo de un metal (nivel de energía de Fermi + energía de fotones para expulsar electrones). la banda de conducción está entre este punto y el nivel de Fermi, pero del orden de algo lo suficientemente pequeño como para permitir que el electrón se mueva alrededor de la estructura con mucha facilidad y nunca pertenezca a un átomo en particular. Sin embargo, la banda de conducción podría estar justo en el nivel de Fermi. En 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 une los átomos con la atracción culómbica entre los átomos con carga de iones positivos ionizados. Puede visualizar bolas perfectamente apiladas con capas perfectas y forma cúbica con una especie de nube que las mantiene unidas. A medida que los electrones se mueven, crean un agujero y esta es una nueva ubicación para un electrón diferente. Los electrones se mueven aleatoriamente o por energía de entrada. En promedio, siempre hay suficiente carga de electrones para unir las cosas porque aleatoriamente hay un cierto promedio para querer llenar el agujero o la energía externa, los electrones tienen una dirección hacia el agujero desde una fuente más atrás. La maleabilidad y Ductability es el resultado de la unión metálica. Debido a que los electrones se pueden mover con bastante facilidad, los átomos metálicos se pueden manipular para que se desplacen de la manera deseada y nada impide que la nube de electrones se mueva hacia atrás alrededor de los átomos desplazados. La maleabilidad y la ductibilidad parecen ser posibles debido a este fenómeno. La fuerza del material tiene que ver con la alineación de las formaciones cristalinas. es decir, un metal quiere comenzar en una formación similar a un cristal completo. Es por eso que un metal ablandado se ablanda durante el lento proceso de enfriamiento. Los átomos tratan de formar un cristal perfecto. Pero a medida que se calienta y enfría lo suficientemente rápido, esta estructura cristalina se romperá en estructuras subcristalinas (una estructura formada por más de una estructura cristalina más pequeña). Probablemente debido a principios de dinámica térmica. ¿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? Independientemente, este proceso le da a todo el metal un efecto más fuerte y quebradizo. Posteriormente, los electrones pueden flotar alrededor del acero endurecido como antes, pero las rutas han cambiado. Para maleabilidad y ductibilidad, el estado de la estructura cristalina probablemente se promedia para mantener la misma formación cristalina original, pero los niveles se aplastan (es decir, los niveles inferior/superior/adyacente). Los electrones simplemente fluyen alrededor de la estructura aplastada como si nada fuera diferente durante y después del proceso. Pero la presión crea calor y este calor obliga al átomo a permanecer en estados de mayor energía (en promedio). Los estados superiores son estados antienlazados, por lo que no hay pegamento que sujete el átomo a sus vecinos hasta que se elimine la fuerza. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento. Los electrones simplemente fluyen alrededor de la estructura aplastada como si nada fuera diferente durante y después del proceso. Pero la presión crea calor y este calor obliga al átomo a permanecer en estados de mayor energía (en promedio). Los estados superiores son estados antienlazados, por lo que no hay pegamento que sujete el átomo a sus vecinos hasta que se elimine la fuerza. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento. Los electrones simplemente fluyen alrededor de la estructura aplastada como si nada fuera diferente durante y después del proceso. Pero la presión crea calor y este calor obliga al átomo a permanecer en estados de mayor energía (en promedio). Los estados superiores son estados antienlazados, por lo que no hay pegamento que sujete el átomo a sus vecinos hasta que se elimine la fuerza. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento. Pero la presión crea calor y este calor obliga al átomo a permanecer en estados de mayor energía (en promedio). Los estados superiores son estados antienlazados, por lo que no hay pegamento que sujete el átomo a sus vecinos hasta que se elimine la fuerza. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento. Pero la presión crea calor y este calor obliga al átomo a permanecer en estados de mayor energía (en promedio). Los estados superiores son estados antienlazados, por lo que no hay pegamento que sujete el átomo a sus vecinos hasta que se elimine la fuerza. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento. Cuando un metal se calienta, la cantidad de energía de electrones antienlazados aumenta y es más fácil manipular el acero en la forma deseada porque los electrones quieren desplazarse hacia regiones más frías. Entonces, la cantidad de pegamento que retiene la estructura calentada disminuye proporcionalmente a la cantidad de calor. La maleabilidad y la ductibilidad suenan muy parecidas porque involucran las mismas cantidades de calentamiento o enfriamiento.