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.
M. Bizarro
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
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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
