Era científica

Procede de …edades media y moderna

Con el Renacimiento serugió la metalurgia, y con el comienzo de la Era Científica, iniciada en los primeros años del siglo XVII, se renovó el interés por los metales y las aleaciones. El monje alemán Theophilo, en “Diversarum artium shedula“, en 1100, trató del arte metalúrgico, y en 1530 Bartolomé Pérez de Veyga publicó el libro “De los Metales“, pero la primera obra sistemática de minería y metalurgia en la que se describe con detalle la fundición de campanas y cañones, fue “De la Pirotecnia“, Vannuccio Biringuccio, publicada en Venecia en 1540 un año o más después de la muerte del autor. Biringuccio hace referencia a Plinio y su “Historia natural“, publicada en el año 77, en donde se da información de las aleaciones de oro, el latón, aleaciones de puntos de fusión bajos y otros productos metalúrgicos. “De la Pirotecnia” fue el primer libro impreso, del que se hicieron 12 ediciones, sobre las artes aplicadas a los metales y los proceso de producción de menas. Es el primer tratado completo de mineralogía, minería y metalurgia con orientación sistemática. Es interesante que por no emplear el proceso de la tostación no reconoce las menas sulfuradas como minerales, y por eso su lista de metales no comprende más que los que aparecen en estado nativo o como menas oxidadas, entre los que se encuentran el oro, la plata, el cobre, el plomo, el estaño y el hierro. Sin embargo, trata la destilación del mercurio. Así mismo, se dan en esa obra los pasos fundamentales del proceso español del “patio“, llevado en 1566 por Pedro Fernández de Velasco para tratar las menas de plata del Monte Potosí (Bolivia), y utilizado también en Méjico por los españoles, seguido del procedimiento de amalgamación para la separación de la plata metálica de sus menas.

La mayor parte de los conocimientos de metalurgia y de química práctica hasta entonces se transmitian de palabra del maestro al aprendiz, y los secretos se guardaban celosamente.

Con los escritos de Jorge Báuer, Landmann o Agrícola, y principalmente con “De Re Metalica“, que apareció en Basilea en 1556 (el prólogo es de primero de diciembre de 1550), contribuyó a fijar el estado de los conocimientos de los metales y aleaciones en aquel tiempo, según los había expuesto en su mayor parte, como fruto de su experiencia. Biringuccio y Agrícola orientaron sus trabajos hacia la química metalúrgica. EN 1569 aparece “De Re Metalica“, de Bernardo Pérez de Vargas. En 1574, L. Erker publica en Praga su famoso libro sobre el ensayo de las menas metalíferas. Los libros de Biringuccio y Agrícola y el libro sobre docimasi de Erker constituyen la fuente de información más completa sobre las artes metalíurgicas y químicas del siglo XVI.

Los comentarios de F. Bacon revelan que a principios del siglo XVII se conocían muchas aleaciones. Sus “Ensayos” los comienza con este párrafo: “¿Con qué metales se incorpora el oro por simple licuefacción y con cuáles no? ¿Y en qué cantidad se incorporará el metal y qué clase de cuerpo será el compuesto formado?” Y en 1640 se publica el libro de Álvaro Alonso Barba “El arte de los metales“, del que también se hicieron varias ediciones, incluso en el extranjero.

Desde los últimos tiempos de la Edad Media hasta mediados del siglo XVII se habían consguido algunas adiciones importantes en química práctica y en metalurgia. Paracelso (a1493-1541) fue el primero en emplear la palabra reducir para expresar la obtención del metal de sus óxidos y expuso claramente la relación entre el hierro y su óxido al decir “el orin es la muerte del metal, pero , estos metales muerta, las cales, se pueden revivificar o reducir de nuevo al estado de metales por medio del ollín”. Un discípulo de Paracelso, L. Thuerneise, describre en un libro publicado en 1569 un procedimiento para convertir el hierro en acero por medio de las astas de animales, del ollín y de las crines, o sea por el procedimiento de cementación. Sin embargo, no se habí alogrado un avance fundamental en el aspecto teórico de estas materias a pesar de que Paracelso, Von Hermont y Agrícola habían reconocido la importancia del método experimental en química y metalurgia. Fue Glauber el que tuvo una visión más clara de lo útil del método en la comprobación de las teorías y el que lo aplicó de manera práctica a la solución de problemas de agricultura, metalurgia industrial y medicina. Glauber, que manifestó siempre vivo interés por la metalurgia, esta familiarizado con las obras de Agrícola y Erker, y describió muchos procesos para la separación de los metales. En 16546 descubrió que el cinc se encontrana en la calamina. Extrajo el oro y la plata de las aleaciones sin copelación y describió el empleo del nitro para la separación de los metales. Su obra “Furni Novi Phylosophici“, publicada en 1648-1650, es el libro más notable de química del siglo XVIII. Puede decirse que es el químico-metalurgo que principalmente concede importancia al fuego, y con sus hornos consigue obtener calor más intenso y más uniforme que el alcanzado hasta entonces.

Un gran impulso a la metalurgisa lo dio Reaumur (1722) cuando publicó su trabajo “El arte de convertir el hierro forjado en acero“, en el que hace un estudio de la cementación (adición de carbono), y asegura que el fuego sólo no es capaz de convertir el hierro en acero. Esta fue una contribución importante para la industria francesa y un anticipo notable de los conocimientos modernos que pusieron a la metalurgia en el camino de la ciencia.

Hasta finales del siglo XVIII no se conoció la verdadera naturaleza del hierro. Bergmann (1781) publicó unos análisis de hierros y aceros, y entonces quedó establecido que el acero contien carbono. Los laboratorios químicos industriales en siderurgia no comenzaron a funcionar hadta 1860-1870.

El arte de la metalurgia, tal como se practicaba durante los siglos que precedieron a la gran revolución ciéntífica de la época anterior, fue mera habilidad, cuyas reglas han pasado de padres a hijos. Los descubrimientos y los nuevos procesos, entonces, eran pocos y aparecían distanciados, y, por lo general, se basaban en un accidente más que en una acción premeditada.

En cuanto se empezó a aplicar la inteligencia práctica en beneficio de la humanidad, segçún lo había indicado L. Vives y F. Bacon, atrajeron la atención las propiedades mecánicas de lo smetales, y el primer ciéntifico físico que se preocupó de la naturaleza de la resistencia de los metales a la rotura fue Galileo (1638), que consideraba a los sólidos como inelásticos. La importancia de la fractura de los metales se reconoció hacia el año 1300. Eminad-Din, autor del siglo XIII, escribió: “Cuando se examina una espada…, hay que ver tanto el interior como el exterior”. Los hechos relevantes de la teoría de la elasticidad de los materiales han sido revelados por en la ley de Hooke (1660) y la formulación de las ecuaciones generales de la elasticidad por Navier (1821). Los ensayos mecánicos corrientes de los metales fueron bien establecidos en 1871.

Reaumur describió un método de endurecer los extremos de las herramientas mediante forja estando calientes tanto el estaño como el plomo, y dedujo que la causa del endurecimeinto eran los cambios que se producían en su estructura. Este físico naturalista afirmó que el conocimiento de los “granos” de que esta constituído un metal y la ordenación de estos granos eran de gran interés para el cnocimientos de las propiedades del mismo, e inventó una escala tosca para evaluar el tamaño de grano en las probetas templadas y rotas encontrando que el tamaño del grano aumentaba a medida que se elevaba la temperatura de calentamiento.

En 1737 se publicó en Estrasburgo un libro anónimo que daba un informe instructivo sobre la naturaleza del acero y, particularmente, de la importancia de la temperatura con respecto a la iniciación del temple y a la velocidad de enfriamiento durante el mismo. El sueco Bergmann dio en 1781 la primera descripción adecuada del comprotamiento del hierro forjado, del acero y de la fundicón según las manifestaciones del efecto del carbono. Además de explicar la importancia del carbono para distinguir el hierro del acero, sugirió el papel de la alotropía.

Sin embargo, la verdadera revolución que originó el enorme desarrolllo de la producción de acero fueron los métodos de Bessemer, Thomas y Siemens-Martin, implantados entre 1855 y 1890 para fabricar este material, basados los dos primeros en el descubrimiento del convertidor con recubrimiento ácido o básico, respectivamente, y en la recuperación del calor de los humos, el último. El siemens-Martin básico data de 1890.

Con el horno alto y los métodos de fabricar acero quedaron resueltos los problemas técnicos y económicos de la siderurgia, factores de la mayor importancia en el deselvolvimiento industrial qu ese produjo seguidamente. Y con el empleo del horno eléctrico se ha extendido mucho el campo de los aceros especiales o aleados, con enorme intensificación de los procedimientos y procesos industriales. El acero al crisol se ha reemplazado progresivamente por el acero eléctrico y el proceso del pudelado ha desaparecido casi por completo.

Ahora bien, en las aplicaciones de los metales no tuvieron menos influencia los avances físico-químicos. La estructura de Widmänstatten, bello modelo geométrico, observada en 1802 por este autor en la superficie pulida y atacada de un meteorito, desempeñó un papel importante en el desarrollo del conocimiento de la estructura de los metales. A primera vista, lo que caracteriza un cristal es su forma geométrica, sus facetas planas con ángulos bien regulares. A mitad del siglo XiX, el físico francés Bravais imaginó una teoría según la cual las fórmulas cristalinas correspondían a una determinada ordenación de las partículas elementales que integran la materia, y guiado por consideraciones puramente geométricas encontró catorce modos de reparto.

Hasta después de 1871 no se dieron cuenta completamente de la naturaleza cristalina de los metales y aleaciones, con lo que nace propiamente la ciencia de la metalurgia física.

En 1868, Tchernoff, en su publicación “La estructura del acero“, estableció que el acero no se podía endurecer si se calienta a temperatura inferior a la del rojo cereza oscuro, por muy rápidamente que se enfríe. Este autor cita una investigación de Jullien en 1866, que establece que en el endurecimeinto del acero, cuánto más rápidamente se enfría éste, mayor cantidad de calor latente contiene; pero si la velocidad de enfiramiento es inferior a cierto límite, entonces el calor latente escapa y no se produce endurecimiento. Puede decirse que Tchernoff fue el padre de los puntos críticos en el acero. En 1783, Tait demostró la alotroía del hierro mediante medidas de la fuerza electromotriz.

En esa época quedó reconocida la esencialidad del carbono en el acero, y aunque poco se sabía de la naturaleza de su endurecimiento por temple, se vió claramente la formación de un carburo y se acepto el principio del punto crítico.

Frederick Abel (1883) determinó que la composición del carburo del hierro, que Karsten había aislado en 1827, en el acero es el Fe3C. Antes de 1885 Abel había establecido que no se podía aislar químicamente todo el carbono realmente presente, sobre todo en los aceros que se han endurecido.

En 1885, el sueco J. A. Brinnel encontró que en las distintas operaciones de tratamiento térmico, así como en las de forja, laminado y estirado, el acero tenía una estructura más fina cuanto mayor había sido el éxito de las operaciones.

Osmond y Werth, en ese mismo año, publicaron “Los puntos críticos dle hierro y del acero“, que fue la base de la teoría alotrópica del endurecimeinto del acero, con la conclusión importante de que el hierro podía existir en dos formas alotrópicas: gamma, cuando se enfriaba lentamente; y beta, mezclada con alfa en aceros templados o trabajados en frío. Y en 1890, con la ayuda del pirómetro termoeléctrico ideado por Le Chatelier, pudo examinar Osmond directamente elcomportamiento del hierro y del acero a altas temperaturas, en las que algunos investigadores como Gore, Barret y Tait en 1869 y 1888, habían observado fenómenos interesantes en el hierro, y marcó las posiciones de los puntos Ar1, Ar2, Ar3, Ac1, Ac2 y Ac3, y las relaciones con las formas alotrópicas del hierro: alfa, beta y gamma.

Guthrie (1885), demostró que el comportamiento de las aleaciones como soluciones de unos metales en otros no era esencialmente distinto del de las soluciones sólidas, y esto fue la base del análisis térmico que introdujo Tammann para el estudio de los metales como método básico para observar la solidificación y fusión de los metales y aleaciones. También es un método importante para estudiar los cambios en la consititución de las aleaciones sólidas, puesto que en las transformaciones entre fases se absorbe o se desprende calor.

Como resultado de los experimentos realizados con aleaciones de plomo-bismuto y estaño-bismuto, para estudiar el fenómeno de la solidificación, Guthrie encontró que la porción que solidificaba la última tenía cierta composición constante, cualquier que fuese la proporción que de los metales en la aleación inicial. Esta última proporción la llamó aleaciñon eutéctica y llegó a la ocnclusión de que no era un compuesto químico. El trabajo de Guthrie ha sido de la mayor importancia en el estudio y aplicación de las aleaciones. A partir de 1887 se empezaron a publicar curvas de fusión de las aleaciones (curvas de enfriamiento).

La ley de Gibbs (1876) ha sido de gran importancia para el estudio de los metales y aleaciones. La aplicación de la ley a la química-física se debe principalmente a Roozeboom, hecha a partir de 1884, y, particularmente ha contribuído al conocimeinto de la esencia de las aleaciones metálicas y enseñanza de los equilibrios heterogéneos. EL comportamiento de una aleaciñon depende íntimamente de su estructura. Ahora bien, aun las estructuras granulares de algunos metales puros no son sencillas, y así el problema de conocer la estructura estable de la mayorái de las aleaciones aparece, en general, con grandes complejidades.

En 1900, Roozeboom publicó un diagrama de estado de las aleaciones hierro-carbono con los datos térmicos obtenidos por Roberts-Austen; este hecho ha contribuído enormemente a elevar y hacer crecer la industria siderurgica, merced a las investigaciones realizadas con esa base por muchos hombres de ciencia.

Debido a que la estructura y las propiedades de las aleaciones se afectan mucho por los cambios de temperatura, la creación por Le Chatelier (1888) del termoelemento, aparato sencillo y exacto para medir una ancho intervalo de temperaturas, tuvo gran significación.

Por otra parte, Sorby inició (1863), el empleo del microscópico para el estudio de los metales, y puede decirse que la metalografía propiamente dicha nació en el año 1886, cuando Sorby presentó ante el Instituto del Hierro y el Acero de gran Bretaña su contribuciones magistrales sobre la estructura del acero, pues sus trabajos anteriores no merecieron la menor atención. En su publicación del 1886 sobre aplicación de los aumentos muy grandes al estudio del acero descubre la perlita con 650 aumentos, y Sorby dice: “Este notable constituyente, probablemente desempleña una parte principal en el endurecimeinto del acero”. El microscopio se había utilizado para el estudio de la estructura de las aleaciones, pero esta técnica no tuvo una acogida más general hasta el 1890.

La publicación de Sorby sobre la estructura microscópica del hierro y del acero (1887) con una descripción detallada de la preparaciñón de probetas, métodos de iluminación, fotografía y muestras de los principales constituyentes, efectos del endurecimiento y del revenido, etc., ha sido la base del desarrollo del examen microscópico de los metales. Este nuevo campo lo cultivaron pronto Osmond en Francia, Martens en Alemania y Sauveur en los EE.UU. Le Chatelier ideó el tipo de microscopio invertido mtalográfico, usado ahora universalmente, y sugerió el polvo de alúmina como abrasivo para el pulido.

En 1893, Osmond adoptó los nombres de ferrita, perlita y cementita, sugeridos por Howe para los tres componentes de los aceros ordinarios, que habian sido reconocidos unánimemente en aquellos tiempos, y añadió los de austenita y martensita.

La teoría de Bravais tuvo confirmación experimental unos cincuenta años después de ser sugerida, cuando Bragg estudió con rayos X cristales de sal gema. Al comenzar el siglo XX, surgieron nuevas ideas sobre la estructura de la materia y sobre la estructura de los átomos, de los que la materia estaba formada, y los metalografos se encontraron con qu eel mejor microscopio óptico, con mil aumentos, era aún limitadísimo para revelar los átomos individuales. Pero simultáneamente se descubrió una nueva clase de luz, de longitud de onda muy corta, los rayos X, y se puso de manifiesto que si bien no se podía ver completamente la estructura cristalina atómica, sin embargo, se obtenía una información aprovechable sobre la colocación de los átomos en los metales.

La Röntgenografía, como método de investigación de la estructura fina, ha puesto de manifiesto la estructura cristalina de los metales y las aleaciones, lo que ha aportado importantes aclaraciones en este campo. El análisis con rayos X desempeña ahora un papel muy importante en el examen físico de los metales y aleaciones. El trabajo no se limitaba al primitivo propósito de determinar las ordenaciones atómicas en los cristales, sino que se enfrnetó con problemas tales como los equilibrios térmicos, las tensiones internas, la identificación de fases, estudio de texturas, etc.

El nuevo camino de estudio de los problemas de las estructura metálica se basea en el análisis con rayos X.

El análisis químico es esencial porque las propiedades mecánicas de los metales están influídas de manera fundamental y compleja por las proporiconas más pequeñas de cierto elementos y, con el fin de coordinadar las observaciones prácticas, es importante conocer qué elementos están presentes y en qué proporciones.

La metalografía proporcionó una incremento muy grande en el conocimiento de la estructura de los metales. El análisis térmico, asociado con la metalografía, estableció las temperaturas eficaces para los tratamientos térmicos y facilitó la construcción de diagramas de fases.

Pero con el descubrimiento de la difracción de rayos X por los materiales cristalinos se tuvo un método de fundamental importancia para conseguir una información completamente nueva respecto a la estructura de los metales. El análisis por rayos X reveló la naturaleza del modelo cristalino, poniendo de manifiesto cómo se colocan los ñátomos unos con respecto de otros, y así mismo, cómo varían las transformaciones entre fases, cuando se estudian a diferentes composiciones de un sistema metálico. Ciertemente, los diagramas de equilibrio de los sitemas de los metales se han explorado completamente por los métodos metalúrgicos antiguos; pero los nuevos métodos hacer posible una estudio exhaustivo de los sistemas de tres o más metales.

No es que con el análisis de los modelos cristalinos por rayos X esté resuelto el problema principal de relacionar las propiedades mecánicas de los metales con su estructura, pero se ha abierto el camino para estudiar otros aspectos de la estructura que están en relación con las propiedades mecñánicas. No hay que olvidar que la mayoría de los metales y aleaciones que tienen propiedades físicas y mecánicas interesentantes ni están en equilibrio verdadero, ni son estructuralmente homogéneas, ni son cristales perfectos e inlcuso presentan anisotropía, o sea que tienen propiedades químicas y mecánicas distintas en diversas direcciones.

La reistencia mecánica de un metal, por otra parte, no es carácter primerio de us estructura cristalina interna, sino cáracter secundario, debido a la orientación relativa de los cristales perfectos que lo integran o a las fluctuaciones en la composición que se origina por tratamiento térmico. Por medio de rayos X se estudian las estructuras de caracter submicroscópico y se pueden relacionar éstas con las propiedades mecánicas.

procede de …edades media y moderna

1 comentario (+add yours?)

  1. Amg
    Mar 10, 2014 @ 23:43:04

    Impresionante, es un gran trabajo

    Responder

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