Historia de los materiales

Introducción a la

M. Bizarro

Edad de piedra (hasta ~3000 A.C.)

Introducción a la Ciencia de Materiales

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El hombre primitivo desarrolló una gran destreza para crear armas punzocortantes, tales como cuchillos, flechas y lanzas, para defenderse de las bestias.

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El hombre del neolítico descubrió que la arcilla (barro) se ablandaba al mezclarse con agua, y se endurecía al secarse. Este ciclo de ablandamientoendurecimiento se podía repetir una y otra vez al ir añadiendo agua. Cuando se introducían los bloques de arcilla húmeda dentro de una hoguera por un determinado tiempo, éstos quedaban permanentemente endurecidos al enfriarse y eran resistentes al agua.

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Edad del cobre: orígenes de la metalurgia

(5000 a 1500 A.C.)

• El hombre neolítico descubrió que el cobre natural podía ser suavizado al calentarlo, y endurecido al deformarlo mediante martilleo. • El cobre desplazó progresivamente a la piedra y se posicionó como el material preferido por el hombre para la fabricación de herramientas y objetos ceremoniales. • Sin embargo, una vez que el cobre natural escaseó, el hombre se vio obligado a poner su atención en los metales contenidos en los minerales.

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Edad de bronce: desarrollo de aleaciones (2000 – 0 A.C.) •

Los metales puros eran demasiado suaves para ser empleados como armas.

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Descubrieron que al mezclar mineral de estaño y mineral de cobre, previo al proceso de fundición, el producto resultante presentaba ventajas significativas en relación con todos los metales conocidos hasta entonces.

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El nuevo material era: – Más fácil de fundir que el cobre – Podía fluir más fácilmente dentro de los moldes (sin burbujas de gas) – Se endurecía más rápido después de ser vaciado – Podía endurecerse más mediante el martilleo. → Bronce: metal idóneo para la fabricación de armas

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El hombre primitivo descubrió, desarrolló y perfeccionó las técnicas que permiten producir metales con propiedades sustancialmente diferentes a las de sus constituyentes individuales; es decir, inventó las aleaciones. M. Bizarro

Edad de hierro (1000 A.C. – 1950 D.C.) • “Hierro bueno” → Inventado accidentalmente por los hititas (Turquía) • Se calentaba el hierro dentro de un horno de carbón, se martillaba la pieza para compactarla y se removía el óxido producido, repitiendo el procedimiento varias veces. • Durante el calentamiento en el horno, los átomos de carbono se difundían hacia el interior del hierro, ¡produciendo acero de bajo carbono! • Nunca se descubrió que el carbono era el responsable del “hierro bueno”, sino hasta 1774 d.C. (¡casi 3 mil años después!).

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Revolución industrial Siglo XVIII • Mano del hombre desplazada por máquinas (construidas casi totalmente de hierro). • La metalurgia cobró nuevos horizontes • Desarrollo de medios de transporte (ferrocarril y barcos de vapor) • El hierro y el acero se utilizaron en la construcción de puentes • Se facilitaron las travesías comerciales entre las sociedades a lo largo de nuevos canales de navegación y carreteras. Introducción a la Ciencia de Materiales

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Desarrollo de la ciencia de materiales • Por muchos siglos el desarrollo de la ciencia de los materiales fue muy lenta. • A finales del siglo XIX hubo avances notables que contribuyeron a su desarrollo: » Descubrimiento de los rayos X y su aplicación » Tabla periódica de los elementos » Conocimiento de la estructura cristalina de los materiales Introducción a la Ciencia de Materiales

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¿y en la actualidad? Fue hasta años recientes que los científicos lograron entender la relación entre los elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. A partir de entonces se desarrollaron miles de materiales.

• Era del Silicio?  Todos los componentes electrónicos

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• Era de los polímeros?  Todos los plásticos incluyendo fibras textiles

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Es importante estudiar la estructura atómica de los elementos para entender sus propiedades. Un mismo elemento puede presentar características muy distintas… por ejemplo:

Elemento: Carbono

Amorfo

Grafito

Fulereno

Nanotubos

Diamante

¿Qué son la Ciencia y la Ingeniería de Materiales? • La ciencia de los materiales investiga la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. • La ingeniería de los materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Introducción a la Ciencia de Materiales

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Clasificación de los materiales Amorfos

Desorden atómico

• Por su cristalinidad Cristalinos

Orden a largo alcance

Metálicos Cerámicos

• Por sus propiedades

Polímeros Semiconductores Materiales compuestos

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Desarrollo de materiales Propiedades

Estructura

Método de elaboración

APLICACIÓN Introducción a la Ciencia de Materiales

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Proceso de selección de materiales 1. Elegir Aplicación

Determina las Propiedades requeridas

Propiedades: mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas, deteriorativas.

2. Propieades

Identificar el Material(es) candidato

Material: estructura, composición.

3. Material

Identificar el procesamiento requerido

Procesamiento: cambia estructura y forma general ej: fundición, sinterizado, depósito por evaporación, dopaje forjado, tratamientos térmicos.

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Estructura, Procesamiento, Propiedades • Propiedades dependen de la estructura ej: dureza vs estructura del acero (d)

Hardness (BHN)

6 00 30 µm

5 00

(c)

4 00 (a)

(b) 4 µm

3 00 2 00

30 µm

100 0.01 0.1

30 µm

Data obtained from Figs. 10.30(a) and 10.32 with 4 wt% C composition, and from Fig. 11.14 and associated discussion, Callister 7e. Micrographs adapted from (a) Fig. 10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33; and (d) Fig. 10.21, Callister 7e.

1 10 100 1000 Cooling Rate (ºC/s)

• Procesamiento puede cambiar la estructura ej: estructura vs velocidad de enfriamiento del acero Introducción a la Ciencia de Materiales

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Técnicas para caracterización de materiales SEGÚN SUS PROPIEDADES

• • • • • Introducción a la Ciencia de Materiales

Eléctricas Mecánicas Térmicas Magnéticas Ópticas M. Bizarro

• La importancia de los materiales ha sido crucial a lo largo de la historia. • El desarrollo de nuevos materiales ha permitido un aumento en el nivel de vida del hombre y ha superado sus expectativas en un gran número de áreas. • Estudio de materiales → NUEVOS HORIZONTES

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M. Bizarro F. M. Sánchez