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Ciencia de los metales

Asdrúbal Valencia Giraldo

Ricardo Aristizábal Sierra

Ciencia y Tecnología

Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia

Editorial Universidad de Antioquia®

Nociones introductorias

La metalurgia

“Metalurgia” es una palabra griega cuyas raíces significan “trabajo de los metales” (métallon: metal; ergon: trabajo); se le conoce como el arte y la ciencia de obtener los metales a partir de los minerales y adaptarlos a las necesidades del hombre.

De esta definición se comprende que la metalurgia es un arte, es decir, está basada en prácticas milenarias que solo llegan a dominarse por medio de la experiencia; y también es una ciencia, pues sus conceptos fundamentales se deducen de principios físicos, químicos y cristalográficos.

Son dos las grandes divisiones de la metalurgia: la obtención de los metales a partir de los minerales, que es la metalurgia extractiva o metalurgia química, y la adaptación a las necesidades del hombre, que es la metalurgia adaptiva, de la cual hace parte la metalurgia física.

Metalurgia extractiva

En la corteza terrestre se encuentran en estado puro solo el Pt, la Ag y el Au y ocasionalmente el Cu y el Hg. Los otros metales, en general, se hallan como minerales. Un mineral es un compuesto químico con fórmula conocida y estructura definida, inorgánico, formado naturalmente en la corteza terrestre. Los minerales más comunes en que se presentan los metales son óxidos, sulfuros, carbonatos y silicatos. A su vez, estos minerales están mezclados con otros, configurando rocas, arenas, arcillas o tierras.

El primer paso en la obtención de un metal es descubrir el lugar donde exista uno de sus minerales en cantidad adecuada, es decir, un yacimiento. Este es un trabajo de prospección que realizan los geólogos, usando distintos métodos: mecánicos, químicos, gravimétricos, magnéticos, eléctricos, aerofotográficos, etc.

Una vez ubicado el yacimiento donde existe un mineral o vena metalífera, se determina su explotación económica, es decir, se valoran las reservas probadas y probables.

La explotación de la roca que contiene el mineral es llevada a cabo por el ingeniero de minas, quien puede hacer una explotación a cielo abierto o con socavones o túneles, mediante diversas técnicas.

La explotación del yacimiento se efectúa en una mina, de la cual el material es arrancado y entregado al ingeniero metalúrgico extractivo, quien para convertirlo en metal debe seguir por lo menos tres pasos:

  1. Separación del mineral y de la ganga (que es la parte no útil), en una operación conocida como beneficio de minerales o mineralurgia.
  2. Tratamiento químico preliminar, el que produce un compuesto adecuado para la reducción del metal.
  3. Reducción a metal, posiblemente con un tratamiento posterior de refinación.

Para separar el metal de la ganga, usualmente lo primero que se hace es una trituración y una molienda. Sigue la clasificación, que puede ser con cribas o tamices en seco o por otros medios, en los que los pedazos grandes se separan de los finos. A veces es necesario volver a aglomerar los finos a un tamaño adecuado; un método para aglomerar es la sinterización.

La concentración del mineral, para enriquecerlo durante el transporte o el proceso, se puede hacer gravimétricamente, usando corrientes de agua (canalones, mesas Wilfley, elutriadores, etc.) o de aire (ciclones), por separación eléctrica, magnética, por flotación —en la que un tipo de partículas se hace flotar por medio de reactivos, mientras que las de otros se sedimenta—, por reacciones químicas o por otros métodos según el tipo de mineral y las necesidades del proceso.

El mineral concentrado se puede tratar con calcinación y tostación —donde el metal sulfuroso, por ejemplo, se convierte en óxido—, por lixiviación o por otros procesos químicos y electroquímicos.

La reducción del mineral preparado se efectúa en hornos y convertidores de distinto tipo cuando se usa la pirometalurgia, o por medios químicos o electroquímicos cuando se emplea la vía hidrometalúrgica. Al final del proceso de refinación se tiene un metal o aleación.

Procesos de conformación

Después de la refinación del metal, todavía está en estado parcial de preparación y no es común que pueda utilizársele de manera inmediata. Debe adaptarse a las necesidades del hombre, es decir, darle unas propiedades y formas adecuadas.

La forma puede obtenerse por fundición, o sea, vaciando el metal líquido en un molde. Entra aquí en juego la ingeniería de la fundición.

Se puede lograr esto también con metalurgia de polvos, mediante calor y temperatura; por el electro formado, electro depositando el metal, o por electroerosionado, desgastando el metal con un arco eléctrico.

El principal método para conformar el metal es el trabajo en frío o en caliente (conformación plástica), donde se utilizan procesos como la forja, la laminación, la extrusión, el estirado, la trefilación, la embutición, el troquelado, el doblado, el repujado, etc.

Para este propósito de dar forma se puede usar también el maquinado, es decir, el arranque de viruta, como ocurre en el corte, taladrado, cepillado, torneado, fresado, etc.

Todos los procesos enumerados, y otros muchos que no se mencionan, dan una idea de los alcances de la metalurgia de procesos, la cual puede incluir también los métodos que se utilizan para controlar la calidad de las piezas, y que pueden ser químicos y físicos. Los ensayos se dividen comúnmente en destructivos y no destructivos.

Entre los ensayos destructivos están la metalografía en todas sus formas y los ensayos mecánicos, como: tracción, impacto, dureza, fatiga, fluencia, mecánica de fractura, etc.

Entre los ensayos no destructivos están la metrología, la radiografía, los ultrasonidos, las tintas penetrantes, las partículas magnéticas, las corrientes inducidas, el análisis térmico, etc.

El acabado final puede incluir la galvanoplastia, la soldadura y otros procesos que requieren conocimiento de los mecanismos de corrosión y oxidación de los metales.

En vista del amplio alcance de la metalurgia, se comprende que sea necesario considerar secciones particulares de este campo tan extenso. Uno de ellos es la metalurgia física o ciencia de los metales.

La metalurgia física o ciencia de los metales

Esta es la parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura. En última instancia, la metalurgia física correlaciona el ordenamiento atómico y la microestructura del metal con sus propiedades físicas. Estas relaciones se pueden resumir a grosso modo en la tabla 0.1.

Tabla 0.1 Correlaciones en ciencia de los metales

Propiedades

Influjo de la femto-, pico- y nanoestructura

Influjo de la microestructura

Mecánicas

Muy marcado

Muy marcado

Resistencia

Muy marcado

Muy marcado

Ductilidad

Eléctricas y térmicas

Muy marcado

Moderado

Resistividad

Moderado

Moderado a marcado

Magnetización

De la tabla se deduce que al controlar el ordenamiento atómico y la microestructura se pueden controlar en algo las propiedades físicas del metal, especialmente las mecánicas. El metalurgista puede ejercer control sobre el ordenamiento y la microestructura, por medio de procesos como la fusión y solidificación, la conformación plástica, la aleación, el tratamiento térmico o la irradiación.

Así pues, uno de los principales objetivos de estas notas es dar bases teóricas que permitan entender cómo y por qué esos procesos controlan el ordenamiento atómico y la microestructura de la manera que lo hacen.

Debe entenderse con suma claridad que a pesar de sus fines prácticos últimos, la metalurgia física aislada es realmente la ciencia de los metales, porque es de gran contenido teórico; es la base científica de la metalurgia adaptiva y va de la mano de la física, pues estudia el metal como una sustancia, sin tener en cuenta su tamaño y su forma (características esenciales de los procesos industriales).

Es evidente que unas notas de ciencia de los metales no pueden producir especialistas en el uso de toda clase de metales. Sin embargo, es esencial en el conocimiento de los procesos y las aplicaciones de los metales; esto, porque las ideas básicas son pocas en realidad: estructura atómica y cristalina; comportamiento de las aleaciones según los diagramas de equilibrio; comprensión de la naturaleza de las propiedades, y una apreciación de las reacciones que ocurren en el estado sólido. Estos fundamentos permiten llegar a tener una competencia razonable en la aplicación de los metales a los problemas industriales específicos.

Debe tenerse en cuenta, además, que el metalurgista está capacitado para entender la naturaleza y las aplicaciones de los materiales no metálicos. Es por ello por lo que la ciencia de los metales es la base también de un campo todavía más amplio como es la ciencia de los materiales.

Propiedades de los metales

Una de las razones de la importancia de los metales es su disponibilidad, como se ve en la figura 0.1. La mayoría de los elementos de la tabla periódica son metales.

Figura 0.1 Metales en la tabla periódica

En la tabla 0.2 se aprecia la abundancia relativa de los elementos metálicos en la corteza terrestre y se observa que el metal que está más disponible es el Al, pero lejos de la gran cantidad de Si que existe.

Tabla 0.2 Abundancia relativa de algunos elementos

Elemento

Porcentaje en peso (%)

Elemento

Porcentaje en peso (%)

Si

47

Cu

0,010

Al

8,1

U

0,008

Fe

5,0

W

0,005

Ca

3,6

Zn

0,004

Mg

2,1

Pb

0,002

Ti

0,63

Co

0,005

Mn

0,10

Be

0,001

Cr

0,037

Mo

0,0001

Zr

0,026

Hg

0,00001

Ni

0, 020

Ag

0,000001

V

0,017

Au

0,0000001

Según su definición convencional, “metal” es una sustancia química elemental opaca y lustrosa, que es buena conductora de la electricidad y el calor, y que al pulirse es buena reflectora de la luz. La mayoría de los metales son dúctiles y maleables y son más densos que otros elementos (como los elementos no metálicos mencionados en la figura 1.1). La explicación de estas propiedades y, en general, de los principios físicos del comportamiento metálico requiere una idea clara de lo que es el estado metálico, el cual, en última instancia, está determinado por el enlace entre los átomos del metal, es decir, por su estructura.

En este orden de ideas, se pretende hacer claridad sobre lo que significa la estructura de los metales y su relación con las propiedades, porque estas son muy peculiares y los han diferenciado desde hace siglos de las restantes sustancias. Así pues, los metales poseen una serie de propiedades (llamadas metálicas), las cuales, si bien no son exclusivas de ellos, las tienen en grado suficiente para caracterizarlos. Los principales atributos de los metales son:

  1. Molécula monoatómica.
  2. Muy poco reactivos con el H.
  3. Se combinan con el O para formar los óxidos.
  4. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el Hg, y sus puntos de fusión y ebullición varían notablemente.
  5. Las conductividades térmicas y eléctricas son muy elevadas.
  6. Presentan brillo metálico.
  7. Son dúctiles y maleables.
  8. Pueden emitir electrones cuando reciben energía en forma de calor.
  9. Tienden a perder electrones de sus últimas capas cuando reciben cuantos de luz (fotones), fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.

Este carácter especial de los metales es consecuencia de la naturaleza de sus átomos y sus enlaces, es decir, de su estructura.

De esta manera, se llama estructura de los metales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio, de los constituyentes de la materia en estado sólido (átomos, moléculas, cristales). La estructura determina el comportamiento del metal, por lo que es conveniente efectuar un estudio elemental de la misma en todos los niveles. Pero antes, es necesario precisar lo que se entiende por propiedades de los metales.

De todas las características de los metales se deben tener en cuenta aquellas de las cuales depende su utilidad. Dichas características son unas veces cualidades y otras veces defectos, y en algunos casos solo constantes físicas. Se pueden clasificar en varios grupos, según sus propiedades físicas, químicas, mecánicas, tecnológicas y dimensionales.

Por sus propiedades, los metales se pueden dividir en funcionales y estructurales. Son funcionales los que se utilizan por sus propiedades físicas y químicas, es decir, por las funciones que desempeñan respecto a distintos campos (ópticos, térmicos, magnéticos, eléctricos) o frente a otros materiales y ambientes. Son estructurales los que sirven para hacer todo tipo de estructuras y soportes, es decir, se utilizan por sus propiedades mecánicas.

Las propiedades de los metales puros son, generalmente, propiedades funcionales, en tanto que las aleaciones despliegan no solo propiedades funcionales, sino también estructurales, como es el caso del acero o las aleaciones de Cu y Al.

Propiedades químicas

Son las características que relacionan la estructura de un metal y su formación a partir de los elementos químicos. Estas propiedades normalmente se miden en el laboratorio de análisis químico y no pueden determinarse por observación visual; usualmente es necesario cambiar o destruir el material para medirlas.

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, pues al describir la escena de La Odisea en que Ulises ciega al cíclope Polifemo, dice Homero: “Como cuando el herrero hunde el hacha de hierro en el agua fría que se levanta hirviendo, endureciéndolo con artificio, pues así se da dureza al hierro: Hazle saltar el ojo silbante alrededor de la ardiente punta”.

Los griegos conocían incluso el estañado del Fe y, además, el Hg, mencionado por Aristóteles (384-322 a. C.).

Los romanos heredaron todo el conocimiento de los griegos; eran buenos ingenieros y dominaron el arte del Fe. Introdujeron también una nueva aleación, el latón (Cu-Zn), aunque no se sabe a ciencia cierta si conocieron el Zn en forma elemental, lo cual es factible, por facilidad de fundir y evaporar este elemento.

Estos ocho metales mencionados fueron los que se utilizaron en los siguientes siglos.

El escritor romano Plinio el Viejo, al principio de la era cristiana, en su libro Historia Naturalis, coleccionó los conocimientos existentes sobre metales y minerales; durante los próximos mil años (la edad del oscurantismo), el progreso fue lento y solo la alquimia contribuyó a la metalurgia con ciertos métodos y procesos.

Al principio de la Edad Media (1100 d. C.), el monje alemán Teófilo Presbítero escribió un libro importante en metalurgia llamado Schedula Diversarum Artium. El próximo libro importante se produjo más de cinco siglos después, fue la Pirotechnia, de Vannoccio Biringuccio (1540), que describe secretos de la soldadura, los tratamientos térmicos, la desulfuración, la forja y los acabados superficiales.

Por otro lado, y aunque sólo se popularizó en 1556, Georgius Agrícola había publicado en 1530 De Re Metálica, obra enorme que es el inicio de la metalurgia sistemática, razón por la cual Agrícola es llamado “El padre de la metalurgia”.

Entre los siglos xvi y xviii se descubrieron el Sb, Bi, As, Mn, Pt, Ni y Co, así como varios procesos metalúrgicos. Los demás metales fueron descubiertos en el siglo xix, y algunos inestables, en el siglo xx (véase tabla 0.3). Del siglo xviii data también la cristalografía como ciencia.

En el siglo xix ocurrió el gran avance de la ciencia en química, física y mecánica, con eventos como la aparición de la termodinámica. Este nuevo conocimiento encontró fácil aplicación en campos de interés para el metalurgista físico.

Aquí empezó el maravilloso y fructífero intercambio entre las varias disciplinas científicas, en el cual la metalurgia ha cumplido papel importante.

Sorby aplicó los métodos petrográficos al acero, obtuvo fotos de la microestructura (1863), reconoció constituyentes y creó una revolución en la metalurgia física (o metalografía, como se le conocía entonces). Otros nombres importantes en la metalurgia del siglo xix son Anossof, Johann Nepomuk von Fuchs, Widmanstätten, Martens, David, Karsten, Tchernoff, William Chandler Roberts-Austen, Osmond, Neumann, Ewing, Rosaenhain, Young, Barlow, Tredgold, Rozebom, Gerens, Baikov, Bauschinger, Lüders, Wöhler, Kalischer, Stead, Mathiessen, Jacobus Henricus van’t Hoff, Gibbs, Michael Faraday, Berthier, Mushet, Hadfield y Sauveur.

Tabla 0.3 Cronología de los principales metales

Antes de 1700

1700-1799

1800-1849

1850 - 1900

1901-

Antimonio

Prehistoria

Bario

1774

Aluminio

1827

Actinio

1889

Americio

1945

Berilio

1797

Boro

1808

Disprosio

1886

Astato

1940

Bismuto

1450

Cadmio

1817

Escandio

1879

Berkelio

1949

Cobre

Prehistoria

Cromo

1797

Calcio

1808

Europio

1900

Californio

1950

Estaño

Cobalto

1735

Cerio

1803

Gadolinio

1889

Curio

1945

Hierro

Estroncio

1787

Cesio

1860

Galio

1875

Einstenio

1954

Mercurio

Manganeso

1774

Erbio

1843

Germanio

1886

Fermio

1954

Oro

Molibdeno

1782

Lantano

1839

Holmio

1878

Francio

1939

Plata

Níquel

1751

Iridio

1803

Indio

1863

Hafnio

1923

Plomo

3000 a. C.

Platino

1750

Litio

1817

Iterbio

1878

Lawrencio

1961

Zinc

Usado por los romanos

Magnesio

1808

Neodimio

1886

Lutecio

1907

Niobio

1844

Polonio

1898

Mendelevio

1955

Titanio

1789

Osmio

1803

Praseodimio

1885

Neptunio

1940

Tungsteno (Wolframio)

1783

Paladio

1804

Radio

1898

Nobelio

1957

Uranio

1789

Potasio

1807

Rubidio

1861

Plutonio

1940

Ytrio

1794

Rodio

1804

Samario

1879

Promecio

1945

Circonio

1789

Rutenio

1844

Telurio

1861

Protoactinio

1917

Sodio

1807

Terbio

1878

Renio

1925

Tantalio

1802

Tulio

1878

Tecnecio

1937

Torio

1828

Vanadio

1801

Al iniciarse el siglo xx empezó en realidad la metalurgia física como ciencia. Uno de los iniciadores del estudio y educación en este campo fue Gustav Tamman, en la Universidad de Gotinga, quien añadió información y teoría a muchos temas de la metalurgia física. Tamman comenzó un amplio estudio de la constitución de los sistemas metálicos con el propósito principal de derivar reglas generales respecto a la constitución de las aleaciones y la naturaleza de las fases aleadas. De aquí resultó una gran cantidad de diagramas de fase.

El amplio empleo de los métodos de análisis por rayos X permitió determinar la estructura cristalina de las aleaciones metálicas y de las fases, y estudiar las variaciones de aquella con el tratamiento térmico. Estas investigaciones fueron realizadas por Max von Laue y Peter Debye (Alemania), G.U. Wulf (Unión Soviética), William Henry Bragg y William Lawrence Bragg (Inglaterra), A. Westgren y B. Fragnen (Suecia) y otros.

William Hume-Rothery (1926) fijó las reglas de la solubilidad sólida; Fritz Laves descubrió las fases que llevan su nombre y Kubaschewski (1931) demostró que las soluciones sólidas se ionizan.

Hacia 1939 se inició la microscopía electrónica. Entre 1930 y 1936, Jakov Frenkel, Carl Wagner y Walter H. Schotty postularon defectos en la red cristalina —vacancias, intersticiales y combinaciones de estos—, los llamados defectos puntuales.

A partir de los trabajos de Tamman, Volmer inició, en 1926, la teoría de la nucleación. El endurecimiento por envejecimiento fue observado por Wiln en 1906, explicado teóricamente por Paul Merica, Romaine George Waltenberg y Howard Scott en 1919, y confirmado por Andrés Guinier y George Preston en 1937-1939.

La plasticidad de los cristales metálicos fue estudiada por Michael Polanyi, Erich Schmid y Walter Boas (1935). Michael Polanyi, Egon Orowan y Geoffrey Ingram Taylor postularon las dislocaciones en 1935, en tanto que Alan Arnold Griffith había iniciado la teoría de la fractura desde 1920.

Maunsel White y Fredrick Taylor desarrollaron los aceros de dureza en rojo (1900), y Benno Strauss y Harry Brearly, los aceros inoxidables, en 1910-1912.

El ensayo de los materiales se mejoró con el durómetro Brinell en 1900, el Rockwell (1919) y el Vickers (1924). Edwin Gilbert Izod (1903) y Georges Charpy (1901) iniciaron el ensayo de impacto.

La cinética de las transformaciones de fase permitió establecer el mecanismo de las transformaciones y elaborar la teoría de los tratamientos térmicos del acero y otras aleaciones importantes. Tales estudios fueron impulsados por Steinberg (Unión Soviética), Edgar Bain y Edmund S. Davenport (Estados Unidos) y Weler (Alemania). La transformación martensítica fue estudiada por Kurdjumov y Sachs.

Hacia 1940, la guerra interrumpió el tren de desarrollo que traía la metalurgia, pero después de su finalización se siguió con renovado brío.

Bruce Chalmers (c. 1948) estudió la solidificación y los granos que se forman; William Gardner Pfann inventó la refinación por zonas (c. 1950); Ernest Kirkendall (c. 1947), Lawrence S. Darken (c. 1948) y Clarence Zener (c. 1946) estudiaron la difusión en los sólidos.

A partir de 1950, el desarrollo ha sido tan vertiginoso que es imposible seguirle el paso en esta corta introducción. Se descubrieron materiales, procesos, instrumentos, tratamientos y técnicas, tantos y tan variados como el electrovacío, la electrónica de semiconductores y la producción de energía atómica. Todo ello ha llevado a la actual revolución de la robótica y la informática, en la que la metalurgia y los materiales son esenciales. Por lo anterior se comprende que aunque en este breve resumen se ha tratado de presentar los nombres y hechos más importantes, se puede decir “que no están todos los que son, aunque sí son todos los que están”.