Física en la Cabrera Regional (Tecamachalco)

"La ciencia no se detiene"

Mejorando la resistencia a golpes.

Estamos tan acostumbrados a la imagen del herrero golpeando el meta,l que no nos paramos a pensar en lo que hace. Esta mejorando su resistencia a base de darle golpes. Eso es, golpes. Es algo completamente diferente a nuestra experiencia habitual. Golpear un objeto suele ser la mejor forma de romperlo así que ¿por qué algunos metales son diferentes?
Es una imagen típica en las películas de la edad media. El herrero con brazos como piernas que golpea con saña un trozo de hierro. A ratos lo calienta antes de seguir golpeándolo. Es algo muy diferente al precioso y delicado soplado de una copa de vidrio. Esta diferencia esta relacionada con su diferente comportamiento ante un impacto. Cuando una copa de vidrio, una pieza de cristal o cerámica reciben un golpe, la energía de ese golpe se concentra en la zona del impacto. El material se agrieta de forma visible o invisible pero sin deformarse. De hecho, la mayoría de las piezas que tenemos a nuestro alrededor tienen un gran número de pequeñas e invisibles grietas. En ocasiones, un pequeño golpe puede hacer que un vaso se desintegre en pequeños fragmentos. O el golpe ha sido realmente intenso o existían múltiples grietas anteriores que han acabado uniéndose para romper la pieza.
El caso del acero es diferente. Un herrero puede golpearlo sin miedo a que se desintegre. Esto es debido a que, en general,  posee una alta maleabilidad. Es decir tiene una alta capacidad de deformarse antes de llegar a romperse. Gracias a esta propiedad, muchos metales puede aplastarse para formar finas láminas. Digamos que es como un trozo de plastilina pero mucho más resistente. Un ejemplo que vemos a diario es el papel de aluminio. Esta formado por deformaciones y aplastamientos sucesivos de un lingote metálico. Al envolver un bocadillo con papel de aluminio estamos utilizando esa maleabilidad en nuestra vida diaria.  Otro ejemplo, menos cotidiana, son las láminas de pan de oro.
Bien, es posible deformar el hierro y el acero. Incluso podemos utilizarlo para fabricar piezas forjadas como una verja. Pero eso no explica porque al golpearla aumenta su resistencia., ¿cómo es eso posible?  Para comprenderlo, debemos descender al nivel microscópico y ver como esta formado el material. El acero es una mezcla de hierro con una pequeña cantidad de carbono. Esta cantidad no suele ser mayor del 2% aunque generalmente se encuentra en valores mucho más bajos, del  0,1% al 0,5%. A pesar de ser un porcentaje muy pequeño, el carbono modifica sustancialmente su comportamiento del hierro. En realidad, el acero no es una masa homogénea, su composición incluye diferentes elementos con diversas microestructuras y variadas concentraciones de carbono. La lista es larga, perlita, austenita, martensita o bainita y engloba desde zonas prácticamente libres de carbono hasta  otras donde es lo bastante abundante para formar compuestos como la cementita (Fe3C).
Estudiar sus características requeriría un curso completo de ciencia de materiales. Por ejemplo, habría que incluir un análisis detallado sobre los cambios de temperatura ya que la velocidad y forma de enfriamiento puede cambiar sustancialmente las características del material. Aquí nos limitaremos a una descripción sencilla. Cuando el herrero calienta el metal lo ablanda pero mantenido una estructura cristalina. Ese es el momento de golpearlo y cambiar su forma. Con su martillo consigue alinear los cristales del metal, lo que hace la espada se vuelve más resistente. Este proceso se apoya en la existencia de infinidad de  “grietas diminutas”, en realidad dislocaciones de la estructura cristalina del acero. Al golpear el metal, las dislocaciones se desplazan permitiendo que el acero se deforme sin romperse. Sin embargo, los golpes y el desplazamiento aumentan el número de dislocaciones lo que pone un límite a este proceso. Un tratamiento excesivo puede volver al acero tan frágil como el cristal.  Si se detiene en el momento justo, el metal se vuelve más resistente sin hacerse demasiado frágil.
Naturalmente, un herrero solo puede modificar una ligera capa superficial pero es suficiente para cambiar su resistencia a los golpes. Si queremos un cambio más profundo podemos recurrir al forjado mediante grandes presas hidráulicas. En cualquier caso, el proceso es el mismo. Sin saberlo, el herrero medieval estaba cambiando  la estructura de hierro a muy pequeña escala. En cierto modo, es una de las primeras microtecnologías.
Fuente: Ambrosio Liceaga/cienciadebolsillo.com
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Esta entrada fue publicada el 22 junio, 2012 por en Física y Química.
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