Las principales propiedades químicas son: la composición, la microestructura (las fases y el tamaño de grano), la resistencia a la oxidación y a la corrosión, y las inclusiones.
La composición se refiere a los componentes elementales o químicos que constituyen un metal o una aleación, y sus propiedades relativas. La resistencia a la corrosión es la habilidad para resistir el deterioro por reacciones químicas o electroquímicas con el ambiente. La microestructura se estudiará posteriormente.
Propiedades físicas
Dentro de este grupo se reúnen las propiedades primarias o básicas de la materia, con otras que son consecuencia de fenómenos motivados por agentes físicos externos. Las más importantes son la extensión y las propiedades magnéticas, ópticas, eléctricas, gravimétricas, acústicas y térmicas (calor específico, calor latente de fusión, conductividad térmica, dilatación térmica, punto de fusión).
Las propiedades físicas son características que pertenecen a la interacción entre los metales y varios campos de energía (gravitatorios, magnéticos, eléctricos, térmicos, acústicos, ópticos) o con otras formas de la materia. En esencia, caen en el campo de las ciencias físicas. En general, se pueden medir sin destruir o cambiar el material. El color es una propiedad física; se puede determinar simplemente mirando el material. La densidad se puede establecer pesando y midiendo el volumen del objeto, es una propiedad física; el material no tiene que cambiarse ni destruirse para medir esta propiedad.
Propiedades mecánicas
Son características del material que se despliegan cuando se aplica una carga y generalmente se relacionan con el comportamiento elástico o inelástico de aquel. Para determinar estas propiedades es común que haya que destruir el material. El término “mecánico” se aplica a esta categoría de propiedades, porque se usan para indicar lo adecuado de un metal para usarse en aplicaciones mecánicas, partes que soportan carga, absorben impacto, se desgastan, etc.
Las principales propiedades mecánicas son: la resistencia última, la dureza, el módulo elástico, la plasticidad, la resistencia a la cedencia, la resiliencia, la tenacidad, la fragilidad, la resistencia a la fatiga, la resistencia a la fluencia lenta y la ductilidad.
Propiedades dimensionales y tecnológicas
Las propiedades dimensionales son importantes en la selección de los metales y se refieren a temas que no aparecen en los manuales, como tolerancias, acabados, textura superficial, formas y tamaños disponibles, y la fabricabilidad.
La fabricabilidad o facilidad de fabricar un objeto con el metal en mención, es una propiedad que depende de otras, denominadas propiedades tecnológicas, como son la maquinabilidad, la colabilidad, la soldabilidad, la maleabilidad, la ductilidad, la templabilidad, la fusibilidad, etc.
El material o metal apropiado para una aplicación se selecciona según sus propiedades químicas, físicas, mecánicas o tecnológicas. Así, propiedades físicas como las eléctricas y magnéticas son fundamentales en muchas aplicaciones de los metales y aleaciones.
Una propiedad mecánica importante es la resistencia sin fragilidad: los metales son resistentes, pero debe cuidarse que sean también tenaces; de otro modo se comportarán como el vidrio.
Una propiedad tecnológica fundamental es la formabilidad, pues más o menos el 80% de los objetos metálicos se usan conformados mecánicamente. Solo el 20% se produce por fundición.
Breve historia de la ciencia de los metales
La ciencia de los metales inicialmente se conoció como metalografía y después como metalurgia física. Como disciplina reconocida, apenas se inició con Henry Clifton Sorby en 1863, pero sus orígenes se remontan mucho más atrás en el tiempo (Avner, 1974).
Esta ciencia ha estado y está aún en cierta medida entretejida con la metalurgia de procesos y extractiva. Por muchos siglos, estas ramas constituyeron un arte común, practicado por los mismos artesanos; la distinción entre ellas solo se hizo aguda en el siglo xx y se acentuó después de la Segunda Guerra Mundial.
La historia de la humanidad y del universo fue pintada por Hesíodo distinguiendo cinco períodos: la edad de oro, la edad de plata, la edad de bronce, la edad de los semidioses y la edad de hierro. Fueron los metales y su uso los que dividieron el tiempo, aunque la exposición de Hesíodo es una mezcla de asuntos mitológicos e historias. Sin embargo, desde el punto de vista del uso de los materiales por la humanidad, se han asignado también varias edades: edad de piedra, edad de cobre, edad de bronce, edad del hierro, edad atómica y edad de los materiales.
La Tierra tiene unos 4,5 millardos de años (millardo equivale a mil millones). La historia fósil se remonta a 14 millones de años; la vida existió y floreció unos 3 millones de años antes del advenimiento de la especie humana, y el australopiteco, que existió hace unos 6 millones de años, usó ya herramientas de piedra.
La era paleolítica o edad de piedra ocurrió desde 17.000.000 hasta 8.000 a. C. Sin duda, los primeros metales conocidos fueron el Au, la Ag y el Cu, además de las aleaciones Fe-Ni de los meteoritos (“Hierro del Cielo”). El Au y el Cu se usaron desde 5.000 a. C. para ornamentos. El Au no fue nunca un material de valor práctico; se empleaba con fines rituales y ornamentales, y aunque con él laboraban los verdaderos artífices, el trabajo del Cu tenía más importancia práctica y tuvo un efecto más importante sobre la civilización. La fusión del Cu parece haber acontecido antes del tiempo de los sumerios, en las montañas del noroeste del Golfo Pérsico, hacia 4.300 a. C.
La primera tecnología metalúrgica comprendía la fusión de minerales oxidados de Cu (carbonatos) y debe haber evolucionado naturalmente desde el interés inicial en el uso del Cu nativo.
Sin embargo, en la zona mencionada, el mineral de Cu más común era la calcopirita, un sulfuro complejo de Fe y Cu que debe tostarse en atmósfera abierta al aire para remover el S antes de fundir para la reducción. Ciertos minerales contienen As y al fundirse dan una aleación de Cu arsenical que se puede llamar bronce natural.
El tercero en antigüedad es la Ag, descubierta 3.500 años a. C. Se encontraba como metal nativo, como electrum, una aleación de Au y Ag que ocurre naturalmente y como subproducto de la fusión del Pb. Se usó sobre todo en ornamentos.
El proceso de los minerales de Pb se conoció hacia el mismo período histórico que la Ag. Se empleó en tubos, vasijas, cisternas y sarcófagos. El inicio del uso general de los metales se completó hacia el año 2000 a. C. (Au, Ag, Cu, Pb y bronce). Además del bronce arsenical, se desarrolló el bronce por antonomasia (Cu y Sn), mezclando minerales de distinta procedencia. Cuando los minerales de Sn del Medio Oriente se agotaron, su producción se desplazó a Europa. El Sn elemental se conoció en 1500 a. C.
En el período de 1500 a 1200 a. C. el bronce reemplazó al Cu. Era más duro, daba mejores herramientas y armas, y era más fácil de fundir y moldear.
El Fe apareció en escena hacia 4000 a. C., pero su uso en el área del Mediterráneo solo se generalizó en el 1200 a. C. y su proceso de obtención se derivó de las técnicas de reducción del Cu. En la práctica, es más fácil reducir los óxidos de Fe que los minerales de Cu. En China, el proceso de obtención del Fe se conocía desde 2700 a. C. Parece que en el África Negra se llegó a la obtención del Fe y el acero por vías diferentes. Empezó así la edad de hierro.
Sin embargo, el Fe producido por los primitivos era hierro forjado; el acero se producía por cementación. En Europa, este último no se fundió y moldeó hasta 1741, cuando Hutsman reintrodujo el acero de crisol.
La tecnología siderúrgica del Medio Oriente fue diseminada en Europa en el siglo i a. C. por los celtas, quienes formaron una comunidad artística y cultural en Hungría, Checoslovaquia, Suiza, ciertas regiones de Austria y Alemania, y el este de Francia. El primer centro importante en producción de Fe en Europa fue Hallstatt, en el Tirol austríaco, en 750-500 a. C.
El temple de acero fue descubierto 900 años a. C., un proceso que estableció la supremacía del Fe sobre otros materiales (el bronce). Esto fue conocido por los griegos,