1 historia de los materiales 2013-2

HISTORIA DE LOS MATERIALES

1. Historia de los materiales
Introducción a la
Ciencia de Materiales
M. Bizarro

2. Edad de piedra (hasta ~3000 A.C.)
•El hombre primitivo desarrolló una gran
destreza para crear armas punzo-
cortantes, tales como cuchillos, flechas y
lanzas, para defenderse de las bestias.

•El hombre del neolítico descubrió que la arcilla (barro) se ablandaba al mezclarse con agua, y se endurecía al secarse. Este ciclo de ablandamiento- endurecimiento 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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Ciencia de Materiales
M. Bizarro

3. 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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Ciencia de Materiales
M. Bizarro

4. Edad de bronce:
desarrollo de aleaciones
(2000 – 0 A.C.)
•Los metales puros eran demasiado suaves para ser
empleados como armas.

•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.

•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

•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.

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5. 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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M. Bizarro

6. 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.


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M. Bizarro

7. 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

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8. ¿y en la actualidad?
•Era del Silicio?
 Todos los
componentes
electrónicos

•Era de los polímeros?
 Todos los plásticos
incluyendo fibras
textiles
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.
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9. Es importante estudiar la
estructura atómica de los
elementos para entender sus
propiedades.

Un mismo elemento puede presentar
características muy distintas… por
ejemplo:

10. Elemento: Carbono
Grafito Diamante Amorfo
Fulereno
Nanotubos

11. ¿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.
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M. Bizarro

12. Clasificación de los materiales

•Por su cristalinidad




•Por sus propiedades



Amorfos

Cristalinos
Desorden atómico
Orden a largo
alcance
Metálicos
Cerámicos
Polímeros

Semiconductores

Materiales compuestos
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13. Desarrollo de materiales
Propiedades
Método de elaboración
Estructura
APLICACIÓN
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M. Bizarro

14. 1. Elegir Aplicación Determina las Propiedades requeridas
2. Propieades Identificar el Material(es) candidato
3. Material Identificar el procesamiento requerido
Procesamiento: cambia estructura y forma general
ej: fundición, sinterizado, depósito por evaporación, dopaje
forjado, tratamientos térmicos.
Propiedades: mecánicas, eléctricas, térmicas,
magnéticas, ópticas, deteriorativas.
Material: estructura, composición.
Proceso de selección de materiales
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15. ej: dureza vs estructura del acero
• Propiedades dependen de la estructura
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 .





ej: estructura vs velocidad de enfriamiento del acero
• Procesamiento puede cambiar la estructura
Estructura, Procesamiento, Propiedades
Hardness (BHN)
Cooling Rate (ºC/s)
100
2 00
3 00
4 00
5 00
6 00
0.01 0.1 1 10 100 1000
(d)
30 µm
(c)
4 µm
(b)
30 µm
(a)
30 µm
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16. Técnicas para caracterización de
materiales
•Eléctricas
•Mecánicas
•Térmicas
•Magnéticas
•Ópticas
SEGÚN SUS PROPIEDADES
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M. Bizarro

17. •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

Introducción a la
Ciencia de Materiales
M. Bizarro
F. M. Sánchez