Acabo de poner un imán en un poco de acero. Se pegó ferromagnéticamente muy bien. Sip. Por lo tanto, no pierde sus propiedades ferromagnéticas. Hay algunas aleaciones de acero que no son muy ferromagnéticas debido a otros metales incluidos. Muchos de estos se denominan “acero inoxidable”, porque tienen suficientes metales que no son de hierro que no se oxidan. También es posible hacer que el hierro sea tan blando que no contenga una “carga” magnética. Las aleaciones como esta se utilizan para electroimanes finos, como los de las unidades de disco magnético.
Me gustaría profundizar un poco más en los metales para explicar qué sucede mejor.
Algunos metales, especialmente el hierro, pero también el níquel, el cobalto y otros, exhiben ferromagnetismo (llamado así por el hierro). Esta es la forma más fuerte de magnetismo. Los elementos ferromagnéticos permanecen magnetizados incluso cuando se quita la fuente de un campo magnético.
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Sin embargo, es un poco inapropiado decir que un átomo de un elemento es ferromagnético. Es una pequeña cantidad, pero la mayoría de las propiedades interesantes de los metales se producen cuando hay un montón de átomos cerca uno del otro. Parte de lo que hace que los metales sean interesantes es que cuando están muy cerca uno del otro, los electrones en los átomos forman lo que se llama una estructura de banda. No están estrechamente unidos a sus núcleos y pueden moverse fácilmente. Esto es lo que le da a los metales su conductividad, su alta capacidad de calor y el hecho de que son opacos incluso cuando se golpean muy delgados según los estándares macroscópicos. Esto también ayuda al ferromagnetismo, cuando los efectos de los átomos cercanos se refuerzan entre sí.
La forma de obtener átomos tan apretados es un cristal. Los cristales son muy fuertes. Algunos cristales, como los diamantes, son muy duros pero frágiles. Si los golpeas, se partirán a lo largo de una cara de cristal. Este proceso se llama confusamente “cortar” el diamante. Los metales, sin embargo, debido a su estructura de banda, tienen algo llamado deslizamiento. Las caras de cristal pueden deslizarse entre sí y aún pegarse. Una onda de fuerza viaja a través de la cara de cristal, y el cristal permanece atascado. Esto le da a los metales su ductilidad, lo que significa que pueden doblarse.
En mi primer curso de Ciencia de Materiales en el MIT, el profesor contó una historia sobre cómo se descubrió el mecanismo. El chico tenía una casa en la India. Su criada necesitaba mover una gran alfombra para limpiar debajo. Era una alfombra grande, y él se ofreció a ayudar. Ella dijo: “No necesito tu ayuda. Todo lo que tengo que hacer es hacer un pequeño movimiento en la alfombra y moverla”. Olvidé el nombre del chico, posiblemente en protesta, porque creo que la criada también debería ser recordada.
Sin embargo, el deslizamiento no es muy útil con un gran cristal, ya que tiene que deformarse de una manera particular para funcionar. Si la fuerza no está en una cara de cristal, no tienes suerte. Lo mejor es tener un montón de cristales en una parte. Afortunadamente, los metales son policristalinos. Están hechos de un montón de cristales con fuerzas más débiles entre los cristales. Aquí hay una foto:
En este punto, puede tener cristales grandes o pequeños cristales. Los cristales grandes lo hacen más fuerte para la compresión pero frágil, y puede romperlo fácilmente golpeándolo o tirando de él. Los cristales grandes también lo hacen más ferromagnético, ya que muchos átomos están empaquetados en la red cristalina. Los cristales pequeños le dan más resistencia a la tracción, pero serán magnéticamente más suaves. En el límite, la gente puede decir que los cristales son tan pequeños que es prácticamente amorfo. Ese es el tipo de hierro utilizado para esas cabezas de disco magnético.
El carbono, que está presente en los metales a medida que se vierten en forma de grafito, rompe los cristales. El cristal de grafito es una lámina, y estas pequeñas láminas obstaculizan la formación de cristales. Hay otros factores que afectan el tamaño de los cristales, como la velocidad de solidificación, la velocidad de enfriamiento después del sólido pero aún caliente y el funcionamiento.
El hierro fundido tiene mucho carbono y se enfría rápidamente. Es muy duro bajo compresión y fuertemente ferromagnético, pero es frágil y no es muy bueno para piezas bajo tensión. El hierro forjado, que se produjo más tarde, se trabaja mientras está caliente pero no se derrite. Esto rompe los cristales y también oxida algo de carbono y otras cosas, pero los óxidos permanecen en el metal como escoria. Aún así, es mucho mejor para piezas bajo tensión.
Aparte: las espadas japonesas tradicionales se hicieron con una combinación de hierro alto y bajo en carbono, el bajo en carbono en el centro para darle flexibilidad, y alto en carbono en el exterior para poder mantener un filo agudo sin doblarse.
Ahora, al acero. Puede pensarlo como hierro con la mayoría (pero no todo) del carbón eliminado, generalmente con el propósito de hacer que los cristales sean más pequeños, para golpear uno de una variedad de puntos dulces que comprometen entre la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción y la ductilidad, Puede tener lo que equivale a una plancha con muy poca escoria pero la cantidad justa de carbono.
La fabricación de acero es casi antigua, pero los métodos eran elaborados y llevaban mucho tiempo y solo producían pequeñas cantidades de acero de grado relativamente bajo. Las espadas de acero hechas en Toledo se compararon favorablemente con las espadas japonesas, pero eran caras. La mayor parte del acero se usó para la decoración, como las famosas hebillas que la gente recuerda de las historias de Acción de Gracias, que la gente pensó que eran tan geniales que incluso se las pusieron en sus sombreros.
Esto cambió con la invención del convertidor Bessemer en el siglo XIX. El aire, o más tarde oxígeno, se bombeó a través del hierro fundido, quemando el carbono explosivamente y haciendo que se expulsara como dióxido de carbono. (Si alguna vez tienes la oportunidad de ver un trabajo, es bastante espectacular.) Menos carbono significa cristales más pequeños, más cerca del punto óptimo y algo menos ferromagnético. El problema es que todavía se oxida, y eso se debe a que la forma oxidada del óxido ferroso (FeO3) es más pequeña que el hierro, por lo que se agrieta y deja entrar más oxígeno. (Parece contradictorio que una molécula con más átomos pueda ser más pequeña) Pero sucede mucho). Entonces, se agregaron otros metales al acero inoxidable que fijan un poco el tamaño molecular pero cambian la red de tal manera que el ferromagnetismo es mucho más débil.
