Metal Glass – Propiedades

Las aleaciones amorfas contienen átomos de muy diferentes tamaños, lo que lleva a un bajo volumen libre (y por lo tanto, hasta órdenes de magnitud de viscosidad más alta que en otros metales y aleaciones) en estado fundido. La viscosidad impide que los átomos se desplacen para formar una forma ordenada de celosía. La estructura del material también da lugar a una baja contracción durante el enfriamiento, y alta resistencia a la deformación plástica. La ausencia de límites de grano, los puntos débiles de los materiales cristalinos, conduce a una mejor resistencia al desgaste y la corrosión. Los metales amorfos, técnicamente vidrios, son también mucho más duros y menos frágiles que el óxido de vidrio y las cerámicas.

La conductividad térmica de los materiales amorfos es inferior a la de los cristales. Como la formación de la estructura amorfa depende de enfriamiento rápido, esto limita el máximo espesor posible.-

Metal Glass. Propiedades Mecanicas

Gran parte del interés en los metal glass se centra en sus inusuales y potenciales propiedades mecánicas. Las diferencias de comportamiento entre los metal glass y las aleaciones convencionales (que son cristalinas), son consecuencia directa de las diferencias en la estructura.-
La resistencia de un metal cristalino está limitada por la presencia de defectos en la estructura cristalina llamada dislocaciones. Un material amorfo, como un metal glass, no tiene defectos de forma y su resistencia puede acercarse al límite teórico asociado con la fuerza de sus cadenas atómicas. A continuación se muestra una comparación de las propiedades mecánicas de algunos metal glass, junto con algunas aleaciones convencionales:

propiedades del metal glass
Tabla 1

Podemos ver en la Tabla 1 que los metal glass pueden ser muy fuertes. Por ejemplo, el hierro a base de vidrio, en la tabla es 2 veces más resistente que un acero de alta resistencia. Como se podría esperar, la alta resistencia de los metal glass a generado mucho interés en ellos para aplicaciones estructurales.-

Otra consecuencia de la inusual estructura del metal glass es que son un poco (20-30%) menos rígidos que las aleaciones similares cristalinas. (“Menos rígidos” significa que se deforman más, dada una misma cantidad de la fuerza).-
Aunque esto puede parecer indeseable, en algunas aplicaciones una aleación de menor rigidez es realmente ventajosa. Por ejemplo, los implantes ortopédicos, en este caso, si el material implantado es mucho más rígido que el hueso, el implante lleva demasiado de la carga y el hueso se vuelve más débil.

Sin embargo, no todas las propiedades mecánicas de los metal glass son buenas. Observe el final de la tabla de arriba. “Elongación plástica” es una medida de ductibilidad, y es una propiedad de los metales sumamente usada por dos razones. Primero, esto significa que los metales pueden ser formados en una amplia variedad de formas por procesos de deformación (tales como: forjado, arrollamiento y extrusión). Segundo, debido a que el opuesto de un comportamiento dúctil es una fractura vidriosa, la ductibilidad es obviamente deseable en cualquier aplicación estructural. Pero en la tabla de arriba vemos que los metal glass no son dúctiles, lo cual es una barrera significativa para sus aplicaciones extendidas.-


Irónicamente, la misma característica de los metal glass que les proporciona su alta resistencia  –una carencia de dislocaciones- es también responsable de su falta de ductibilidad. Las dislocaciones producen una fuerte deformación, lo cual significa que los metales cristalinos son efectivamente más fuertes en respuesta a la deformación. Así, si una pequeña región de un metal cristalino se deforma plásticamente, ello le induce mayor fortaleza. Antes que la deformación continúe en el mismo lugar, ésta ocurre en algún otro punto, el cual no posee fortaleza a la fatiga y es por lo tanto débil. De esta manera, la deformación plástica se extiende a través de un volumen relativamente cuantioso del material. Los metal glass tienen exactamente una respuesta opuesta, ellos se estiran suavemente. Entonces una vez que la deformación plástica se produce, ésta tiende a continuar en la misma región, un proceso llamado localización cortante. El resultado es la formación de bandas cortantes, las cuales son regiones de deformación plástica altamente concentradas, como se muestra aquí:

Metal Glass Shear Bandas
Figura 8

La imagen muestra la superficie de una muestra de metal glass sometido a flexión, cuando es visto en un microscopio de exploración electrónico. Le deformación ha originado la formación de bandas cortantes en la base de la superficie de la muestra (visto en la proximidad del límite de la base de la imagen) y se propaga hacia el centro de la muestra (hacia arriba en la imagen). Observar que la deformación cortante (flechas rojas) indica la formación de una marca (flecha negra) en la superficie de la muestra. Existe una extensa deformación cortante en cada banda cortante, pero una pequeña deformación ocurre entre las bandas. Brevemente después esta imagen fue tomada, esta muestra particular se fracturó a lo largo de la mayor banda cortante vista arriba.-

La falta de ductibilidad frente a tensiones en los metal glass presenta un problema potencial para aplicaciones estructurales, donde el comportamiento quebradizo es indeseable. El problema no es completamente tan malo como parece, porque no obstante a su comportamiento quebradizo algunos metal glass aún tienen razonablemente una buena resistencia a la fractura. Además es posible lograr algo de ductibilidad con la fabricación de un material compuesto de consistencia relativamente suave, partículas de metal cristalino dúctil o fibras embebidas en una matriz de metal glass. Las partículas al mismo tiempo promueven la formación de bandas cortantes e inhibe la propagación de bandas cortantes. Generar más bandas cortantes no parece algo bueno, pero la idea es que un número pequeño de bandas cortantes es preferible a una grande, la cual podría causar la fractura.-

Una consecuencia final de la microestructura de los metal glass es que parecen ser más susceptibles al quiebre por fatiga que las aleaciones cristalinas convencionales. Una simple explicación para esto es que una vez que una pequeña rotura se forma, no hay características microestructurales en un metal glass que impida su crecimiento bajo una carga cíclica. El rendimiento frente a la fatiga de los metal glass puede ser mejorado por medio de la fabricación de un material compuesto, pero a la fecha se han efectuado relativamente pocos trabajos en esta área.

Metal Glass. Propiedades Magneticas y Estabiblidad Termica

A pesar del tremendo interés reciente en las propiedades mecánicas de los metal glass, las aplicaciones más comunes en el mundo real de los metal glass efectivamente hacen uso de las novedosas propiedades magnéticas de algunas aleaciones amorfas basadas en Hierro, Níquel y Cobalto. Si bien la saturación magnética de estas aleaciones no es tan buena como la de los elementos puros, la falta de una estructura cristalina puede ser una ventaja importante. En particular, las aleaciones amorfas tienden a presentar una baja coercitividad porque no hay límites entre los granos cristalinos que impida el movimiento del campo magnético y porque no hay anisotropía magnetocristalina. Además, si bien los meta glass son eléctricamente conductores, su resistencia al flujo de corriente es generalmente más grande que la de las aleaciones cristalinas. Esto ayuda a minimizar las pérdidas de corriente que ocurren debido a la rápida magnetización y desmagnetización del material.-

Las propiedades magnéticas de un material ferromagnético, están en parte relacionadas con la facilidad de magnetización, los metales amorfos son más faciles de magnetizar que los metales cristalinos. La facilidad de magnetización en un material se refleja en la relación entre la inducción magnética (B) y el campo magnético aplicado (H). La figura 9 ilustra la curva B vs H del amorfo Fe8OB11Si9 y del acero de grano orientado de silicio. La estrechez de la curva para el metal amorfo, la alta permeabilidad (B/H), y el bajo componente de histéresis de las pérdidas magneticas (según lo medido por el área dentro de la curva BH) indican la relativa facilidad de magnetización.-

Metal Glass. Propiedades Magneticas y Termicas
Figura 9

La corriente de Foucault es también reducida al mínimo en metales amorfos. El desorden atómico y el alto contenido soluto (metaloide y componentes no metálicos) de los metales amorfos limitan el libre camino de los electrones, lo que resulta en resistividad eléctrica de dos a tres veces mayor que en las aleaciones cristalinas. El fino espesor de los metales amorfos, generalmente 25 micras (µm), en comparación a 200 micras del acero de grano orientado de silicio, aumenta la resistencia eléctrica total. Alta resistencia eléctrica en el componente magnético suprime las perdidas magnéticas por corriente de Foucault.-

La relativa eficiencia de metal amorfo y del acero de grano orientado de silicio en transformadores de distribución se ilustra en la fotografía infrarroja de la Figura 10. Estas imágenes comparan un transformador corecoil calentado por perdidas en el núcleo. El análisis indica que el acero de grano orientado de silicio grano alcanza una temperatura promedio de 332º K (59° C), mientras que el metal amorfo más eficiente presenta una temperatura de 304º K (31° C).-

Fotografia Infraroja. Metal Glass transformador
Figura 10. Fotografías infrarrojas de (a) acero de grano orientado y (b) metal amorfo

La estabilidad de las propiedades magnéticas de los metales amorfos basados en Fe ha sido una faceta importante en sus calificaciones para utilizarlos en sistemas de distribución de energía eléctrica. Dispositivos tales como los transformadores de distribución se diseñan para tener una performance optima por un período de hasta 30 años. Si bien es impráctico testear las propiedades de los materiales en servicio efectivo durante esos largos periodos de tiempo, las pruebas de envejecimiento acelerado se han utilizado para predecir el rendimiento a largo plazo.-

Los procesos de envejecimiento en metales cristalinos pueden describirse mediante una simple reorganización estructural de los átomos. Estos procesos pueden ser modelados con una única energía de activación. En los metales amorfos sin embargo, las mociones atómicas son más complejas y pueden variar de un sitio a otro. Por lo tanto los modelos basados en las energías de activación única no son aplicables. Por lo tanto un modelo de “espectro de energía de activación” (AES), desarrollado originalmente para describir el comportamiento de envejecimiento de óxidos, ha sido adaptado para describir el comportamiento de envejecimiento de los metales amorfos.-

Las aleaciones amorfas basadas en Fe utilizadas en los núcleos de los transformadores soportan pruebas aceleradas de envejecimiento a 543º K (270° C) durante un máximo de 30 días. Con base en estas observaciónes, el modelo AES predice que el núcleo tiene una vida útil de más de 1000 años a una temperatura de 398º K (125° C). En comparación, el servicio continuo de temperatura de un transformador es típicamente 353-373ºK (80-100° C). Los resultados de las pruebas de campo actuales sobre las aleaciones amorfas verifican el modelo AES.-

Otras Propiedades del Metal Glass

Tal como los metales cristalinos, los metal glass tienen electrones libres para conducir la electricidad, lo cual los hace a ambos conductores eléctricos y térmicos. Sin embargo, comparados con las aleaciones cristalinas no son especialmente buenos conductores, debido a su desordenada estructura atómica y altos niveles de elementos aleados. A veces se supone que los metal glass, como el óxido de vidrios comunes, son transparentes a la luz visible, pero no es así. Fotones en longitudes de onda visibles están muy dispersos y son absorbidos por la conducción de electrones. Como resultado de ello, gafas metálicas tienen un brillo típico de otros metales y no son transparentes, como se puede ver en la siguiente figura.-

metal glass real
Figura 11

Otra reivindicación común sobre los metal glass es que son resistentes a la corrosión, una propiedad que suele atribuirse a la falta de límites de grano cristalino (que en los metales ordinarios cristalino puede ser particularmente susceptibles al ataque químico). Es cierto que algunas aleaciones amorfas son resistentes a la corrosión, pero otras no lo son, por lo que debe tenerse en cuanta el tipo de aleación.-

METAL GLASS

Metal Glass – Introducción y Fabricación
Metal Glass – Estructura
Metal Glass – Evolución Historica
Metal Glass – Propiedades
Metal Glass – Aplicaciones

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