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Historia de los materiales
Introducción a la Ciencia de Materiales
M. Bizarro
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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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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M. Bizarro
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. Introducción a la
Ciencia de Materiales 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.
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M. Bizarro
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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¿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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M. Bizarro
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
Grafito Diamante Amorfo
Fulereno
Nanotubos
¿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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Clasificación de los materiales
• Por su cristalinidad
• Por sus propiedades
Amorfos
Cristalinos
Desorden atómico
Orden a largo alcance
Metálicos
Cerámicos
Polímeros Semiconductores
Materiales compuestos Introducción a la
Ciencia de Materiales M. Bizarro
Desarrollo de materiales
Propiedades
Método de elaboración
Estructura
APLICACIÓN Introducción a la
Ciencia de Materiales M. Bizarro
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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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
Har
dnes
s (B
HN
)
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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Técnicas para caracterización de materiales
• Eléctricas • Mecánicas • Térmicas • Magnéticas • Ópticas
SEGÚN SUS PROPIEDADES
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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