En todos los ejemplos de metales y aleaciones que hemos introducido hasta ahora hemos hecho hincapié en la estructura cristalina que poseen, así como en las microestructuras que les corresponden. La cristalinidad es una característica común a casi todos los metales, ya que sus motivos estructurales son muy sencillos (en muchos casos, solo uno o dos átomos), por lo que la disposición ordenada de los átomos se adquiere con mucha facilidad, a diferencia de lo que les ocurre a los polímeros, que son entidades macromoleculares que cristalizan con mucha dificultad. No obstante, existe la posibilidad de crear vidrios metálicos o metales amorfos. El único requisito es que la solidificación transcurra tan rápidamente que los átomos no tengan tiempo de ordenarse periódicamente como lo hacen habitualmente.
Los primeros experimentos que hicieron posible este logro se llevaron a cabo en 1960 en el Instituto Tecnológico de California con una aleación de oro y silicio[1]. El principal problema para la obtención de vidrios metálicos es que en la mayoría de las aleaciones convencionales son necesarias unas velocidades de enfriamiento enormemente elevadas, del orden de 106 K s–1. Este inconveniente técnico hacía muy complicado que se pudieran obtener vidrios metálicos que no fueran láminas extremadamente finas o alambres de poca sección. Como veremos a continuación, en la actualidad se han descubierto cientos de aleaciones amorfas que requieren tasas de enfriamiento menores para alcanzar el estado vítreo, ya que cada aleación puede ser más o menos propensa a formar fases amorfas según su composición. Además, se han desarrollado técnicas de síntesis que permiten obtener vidrios metálicos de dimensiones macroscópicas.
En el primer capítulo discutimos acerca de la simetría de largo alcance que caracteriza a los sólidos cristalinos, y también comentamos que existen sólidos no cristalinos o amorfos que carecen de ella. Aquí no nos vamos a extender mucho en discutir sobre las características generales de los sólidos amorfos, como sería por ejemplo la transición vítrea, ya que tendremos oportunidad de ello más adelante al estudiar algunos polímeros y los vidrios cerámicos, que son los ejemplos más representativos de sólidos amorfos. En lo que sí conviene detenerse un poco más es en la estructura interna de estos materiales y qué significa exactamente que un metal sea amorfo desde el punto de vista microscópico.
Ya hemos comentado que la herramienta fundamental para estudiar y caracterizar a los sólidos cristalinos es la difracción de rayos X, o eventualmente de electrones. El resultado de la técnica es un difractograma o patrón de difracción que es la representación de los fotones dispersados por una muestra cristalina en función del ángulo, relación que puede interpretarse gracias a la conocida ley de Bragg. Como en un sólido cristalino las distancias interatómicas son fijas, un difractograma consistiría en una serie finita de picos agudos que aparecen solo para determinados ángulos de dispersión. Para un cristal infinito y perfecto, esos picos serían infinitamente agudos. Sin embargo esto es imposible, ya que siempre hay defectos cristalográficos y además la muestra tiene dimensiones finitas, por lo que la anchura de los picos en un difractograma está fuertemente correlacionada con el tamaño del cristal (o el tamaño de grano si se trata de una muestra policristalina), hasta tal punto de que puede estimarse el tamaño de los granos cristalinos según la anchura de los picos del difractograma. Cuanto más anchos sean los picos, menores serán los tamaños de los granos de la muestra.
Por otro lado, el tamaño de grano está íntimamente relacionado con la velocidad de solidificación de una muestra. Es sabido que cuanto más lento sea el crecimiento de los cristales, es decir la solidificación, probablemente los tamaños de granos sean mayores, siendo posible en algunos casos obtener un único cristal o monocristal de gran tamaño, como vimos en el caso del silicio (apartado 2.10). Si por el contrario la velocidad de enfriamiento durante la solidificación es muy alta se obtendrán cristales muy pequeños, hasta el punto de que, por encima de cierta velocidad, ni siquiera se formarán cristales, sino que se obtendrá un estado metaestable amorfo.
El ejemplo de la figura 3.14a es especialmente revelador en este respecto. Vemos varios difractogramas de una aleación de aluminio-hierro, Al98–xTixFe2 (x = 3, 5, 8 y 10), a la que progresivamente se le introduce titanio como elemento de aleación. Vemos que, para los contenidos más bajos en titanio, pese al enfriamiento rápido los difractogramas revelan una naturaleza cristalina de la aleación, eso sí, con picos muy anchos que indican unos tamaños de grano muy pequeños, incluso nanométricos. De hecho, la diferencia entre un metal nanocristalino (con tamaños de grano del orden de poco nanómetros) y un vidrio metálico es pequeña, aunque tangible. Si observamos el difractograma para x = 10 vemos que aparece un único pico y muy ancho que sí es característico de un estado amorfo.
El hecho de que en un sólido amorfo aparezca uno o incluso dos picos muy anchos en difracción de rayos X se debe a que posee cierta estructura interna que carece de orden de largo alcance pero existen algunas distancias interatómicas que aparecen de forma recurrente debido a que los átomos se disponen localmente formando algunos poliedros como los que se muestran en la figura 3.14b. Estas distancias características (normalmente una o dos) están relacionadas con lo que se denomina función de distribución radial, que, pese a la ausencia de orden de largo alcance, difiere entre gases, líquidos o sólidos amorfos. Por ejemplo, en el caso de un gas, donde la distribución de partículas es completamente aleatoria, no hay ninguna diferencia más probable que otra y la función de distribución radial sería simplemente una constante, mientras que para un sólido amorfo ciertas estructuras con orden local sí pueden dar lugar a una o dos distancias de carácter preferente. También podemos destacar que existen fenómenos de difracción de electrones, como los que se muestran en la figura 3.14c. Típicamente, se observa con un microscopio electrónico de transmisión y el resultado suele ser un patrón de difracción bidimensional y periódico de zonas claras y oscuras. En la figura 3.14c se aprecia un patrón sin orden de largo alcance de una aleación de zirconio correspondiente a la microestructura que se muestra en la imagen de microscopía electrónica de transmisión.
Las propiedades de los sólidos amorfos son en muchos casos diferentes a las de los sólidos cristalinos de composiciones similares. Se contraen menos que los metales cristalinos durante la solidificación, ya que su estructura atómica es en cierta medida similar a la del estado líquido, menos compacta que la de las fases cristalinas. Presentan una mayor resistencia a la deformación plástica debido a la ausencia de fronteras de grano, que son los puntos débiles de los materiales cristalinos. Esto está relacionado con el movimiento de las dislocaciones y otros defectos cristalográficos. Ya comentamos en el capítulo anterior que la mayoría de las propiedades mecánicas se mejoraban a medida que el tamaño de grano se va haciendo más pequeño. Un sólido amorfo podría considerarse como el límite de un material con un tamaño de grano infinitamente pequeño. Es más, carecen de defectos cristalográficos por su propia naturaleza no cristalina y pueden tener fácilmente una resistencia a la tracción de más de 2000 MPa. Esto hace que los vidrios metálicos presenten una mayor resistencia al desgaste y a la corrosión que muchos metales cristalinos. Por último, son más tenaces y menos frágiles que los óxidos vítreos (los vidrios tradicionales) o las propias cerámicas.
Dadas estas propiedades tan interesantes, junto con que presentan distintos tipos de comportamientos magnéticos, los científicos han estado investigando mucho sobre las propiedades de los vidrios metálicos y algunas de sus aplicaciones. En los últimos años se han perseguido dos objetivos fundamentales para conseguir una producción en masa de estos materiales que fuera viable desde el punto de vista económico. Por un lado, se buscaban aleaciones que requirieran una velocidad de enfriamiento más asequible para alcanzar el estado vítreo y por otro lado se investigaban nuevas técnicas de síntesis que permitieran un enfriamiento muy rápido de lo metales fundidos en el mayor volumen posible.
Para este segundo propósito, H. Liebermann y C. Graham desarrollaron en 1976 un método muy adecuado para sintetizar aleaciones amorfas[4] que consiste en usar una rueda a baja temperatura sobre la que se deposita el metal fundido mientras esta gira a una velocidad determinada. De este modo el metal fundido se solidifica muy rápidamente y en forma de cintas de longitud variable. Con este método, que se conoce como melt spinning, se produjeron cantidades importantes de unas aleaciones de hierro, níquel y boro que se comercializaron bajo el nombre de Metglas. Este tipo de aleaciones amorfas tuvieron bastante éxito como material ferromagnético duro para núcleos de transformadores eléctricos, ya que se caracterizan por tener una alta imanación espontánea y una elevada susceptibilidad magnética pero campos coercitivos muy bajos a la vez que una alta resistencia eléctrica en comparación con otros metales.
Con respecto a la búsqueda de aleaciones más apropiadas para la síntesis, se fueron descubriendo otras en las que la velocidad de enfriamiento requerida era cada vez más pequeña. Por ejemplo, aleaciones de zirconio y titanio como Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5 producen fases amorfas si se enfrían a una velocidad de unos 10 K s–1 [5]. Esta aleación en concreto se desarrolló también en el Instituto Tecnológico de California, se comercializa desde el año 2003 bajo el nombre de Vitreloy y se emplea en artículos de alto valor añadido como palos de golf, relojes o protectores de teléfonos móviles.
Más recientemente se ha sintetizado la aleación Pd42,5Cu30Ni7,5P20 que requiere una velocidad de enfriamiento de tan solo 0,067 K s–1 para alcanzar el estado vítreo[7], por lo que con ella se pueden producir piezas de metales amorfos de un tamaño considerable como algunas de las que se muestran en la figura 3.15. Las mejoras tecnológicas han permitido que cada vez sea más viable la producción de distintos tipos de vidrios metálicos que poco a poco se van incorporando a los mercados como vemos en los otros ejemplos de la figura 3.15, donde se muestran artículos deportivos como palos de golf o raquetas de tenis recubiertos de una aleación amorfa o unas pinzas hechas íntegramente de una aleación amorfa de Ti-Zr-Cu-Pd-Sn.
[1] W. Klement Jr. et al. Nature 187 (1960) 869-870. https://doi.org/10.1038/187869b0.
[2] A. Inoue. Prog. Mater. Sci. 43 (1998) 365-520. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(98)00005-X.
[3] A. Inoue y A. Takeuchi. Mater. Sci. Eng. A 375-377 (2004) 16-30. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.159.
[4] H. Liebermann y C. Graham. IEEE Trans. Magn. 12 (1976) 921-923. https://doi.org/10.1109/TMAG.1976.1059201.
[5] A. Peker y W. L. Johnson. Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 2342. https://doi.org/10.1063/1.110520.
[6] Las imágenes están tomadas de A. Inoue y A. Takeuchi. Mater. Sci. Eng. A 375-377 (2004) 16-30. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.159 y del capítulo 10 del libro C. Suryanarayana y A. Inoue. Bulk Metallic Glasses. 2ª ed. CRC Press (2018).
[7] N. Nishiyama y A. Inoue. Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 568. https://doi.org/10.1063/1.1445475.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
