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Historia de los materialesHistoria de los materiales

Introducción a laCiencia de Materiales

M. Bizarro

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

• El hombre primitivo desarrolló una gran• 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 secarsecon 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 arcillase introducían los bloques de arcilla húmeda dentro de una hoguera por un determinado tiempo, éstos quedaban permanentemente endurecidos al enfriarse y eran resistentes al aguaenfriarse 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 p yendurecido al deformarlo mediante martilleo.

• El cobre desplazó progresivamente a la piedra y se posicionó como el material preferido por y p p pel hombre para la fabricación de herramientas y objetos ceremoniales.

• Sin embargo, una vez que el cobre naturalSin embargo, una vez que el cobre natural escaseó, el hombre se vio obligado a poner su atención en los metales contenidos en los minerales.


M. Bizarro

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

• Los metales puros eran demasiado suaves para ser• 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 productode 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:• El nuevo material era:– Más fácil de fundir que el cobre– Podía fluir más fácilmente dentro de los moldes (sin

burbujas de gas)S d í á á id d é d i d– Se endurecía más rápido después de ser vaciado

– Podía endurecerse más mediante el martilleo.

→ Bronce: metal idóneo para la fabricación de armas→ 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 suspropiedades sustancialmente diferentes a las de sus constituyentes individuales; es decir, inventó las aleaciones.


M. Bizarro

Edad de hierro (1000 A C 1950 D C )Edad de hierro (1000 A.C. – 1950 D.C.)

• “Hierro bueno” → Inventado accidentalmente por los hititas (Turquía)hititas (Turquía)

• Se calentaba el hierro dentro de un horno de carbón, se martillaba la pieza para compactarla y se removíase 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! ¡p j

• Nunca se descubrió que el carbono era el responsable del “hierro bueno”, sino hasta 1774 d.C. p ,(¡casi 3 mil años después!).


M. Bizarro

Revolución industrial Si l XVIIIRevolución 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.


M. Bizarro

Desarrollo de la ciencia de materiales

• Por muchos siglos el desarrollo de la ciencia de los materiales fue muy lentaciencia de los materiales fue muy lenta.

• A finales del siglo XIX hubo avances t bl t ibnotables que contribuyeron a su

desarrollo:» Descubrimiento de los rayos X y su

aplicación» Tabla periódica de los elementos» Tabla periódica de los elementos» Conocimiento de la estructura cristalina de

los materiales


M. Bizarro

¿y en la actualidad?¿yFue hasta años recientes que los científicos lograronentender la relación entre los elementos estructurales de losentender la relación entre los elementos estructurales de losmateriales y sus propiedades. A partir de entonces sedesarrollaron miles de materiales.

• Era del Silicio? Todos los

• Era de los polímeros? Todos los plásticos Todos los

componentes electrónicos

Todos los plásticosincluyendo fibras textileselectrónicos textiles


M. Bizarro

¿Qué son la Ciencia y la Ingeniería de Materiales?

• La ciencia de los materiales investiga la relación entre la estructura y las propiedades derelación entre la estructura y las propiedades de los materiales.

• La ingeniería de los materiales se fundamenta en las relaciones propiedades estructura yen las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado depara conseguir un conjunto predeterminado de propiedades.


M. Bizarro

Clasificación de los materialesClasificación de los materiales

• Por su cristalinidadAmorfos Desorden atómico

Por su cristalinidadCristalinos Orden a largo

alcance

Metálicos

Cerámicos

Polímeros• Por sus propiedades

Polímeros

Semiconductores

Materiales compuestosIntroducción a la

Ciencia de MaterialesM. Bizarro

Desarrollo de materialesDesarrollo de materiales

Propiedades Estructurap Estructura

Método de elaboraciónMétodo de elaboración

APLICACIÓNAPLICACIÓNIntroducción a la


Proceso de selección de materiales

1. Elegir Aplicación Determina las Propiedades requeridas1. g pPropiedades: mecánicas, eléctricas, térmicas,magnéticas, ópticas, deteriorativas.

2. Propieades Identificar el Material(es) candidato

3 M t i l Id tifi l i t id

Material: estructura, composición.

3. Material Identificar el procesamiento requeridoProcesamiento: cambia estructura y forma generalej: fundición sinterizado depósito por evaporación dopajeej: fundición, sinterizado, depósito por evaporación, dopaje

forjado, tratamientos térmicos.


M. Bizarro

Elemento: Carbono

Grafito DiamanteAmorfo Grafito DiamanteAmorfo

Fulereno

Nanotubos

Estructura, Procesamiento, Propiedades

ej: dureza vs estructura del acero• Propiedades dependen de la estructura

600(d)

Data obtained from Figs 10 30(a)BH

N)

400

500

60030m

(c)Data obtained from Figs. 10.30(a)and 10.32 with 4 wt% C composition,and from Fig. 11.14 and associateddiscussion, Callister 7e.Micrographs adapted from (a) Fig.ne

ss (

300

4004m

(b)

30m

(a)

10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33;and (d) Fig. 10.21, Callister 7e.

Har

d

100

200

0 01 0 1 1 10 100 1000

30m30m

• Procesamiento puede cambiar la estructuraCooling Rate (ºC/s)

0.01 0.1 1 10 100 1000

ej: estructura vs velocidad de enfriamiento del acero Procesamiento puede cambiar la estructura


M. Bizarro

Técnicas para caracterización de materiales

SEGÚN SUS PROPIEDADES

• Eléctricas• Mecánicas• Térmicas• Térmicas• Magnéticas• Ópticas


M. Bizarro

ELÉCTRICASELÉCTRICAS• resistividad eléctrica del cobre:

6Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e.(Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde,Ann Physik 5, 219 (1932); andC.A. Wert and R.M. Thomson,Ph i f S lid 2 d diti

5

6 Physics of Solids, 2nd edition,

McGraw-Hill Company, New York,1970.)

3

4

stiv

ity,

Ohm

-m)

2

3

Res

is(1

0-8

O

T (°C)-200 -100 0

1

0

• Agregar átomos de “impurezas” al Cu se aumenta su resistividadDeformar el C a menta s resisti idad

T ( C)200 100 0

• Deformar el Cu aumenta su resistividad.Introducción a la


F. M. Sánchez

TÉRMICASS Sh ttl Til Th l C d ti it• Space Shuttle Tiles:--Silica fiber insulation

offers low heat conduction.

• Thermal Conductivityof Copper:--It decreases whenIt decreases when

you add zinc!

Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 19, Callister 7e. (C t f L kh d

nduc

tivity

-K)

400

300

(Courtesy of LockheedMissiles and SpaceCompany, Inc.)

rmal

Con

(W/m

-

200

100

Adapted fromFig 19 4W Callister f C

Composition (wt% Zinc)Th

er

00 10 20 30 40

Fig. 19.4W, Callister 6e. (Courtesy of Lockheed Aerospace Ceramics Systems, Sunnyvale, CA)

Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e.(Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals,

(Note: "W" denotes fig. is on CD-ROM.)

( g g ), y ,1979, p. 315.)

100mIntroducción a la


F. M. Sánchez

MAGNÉTICAS• Magnetic Permeability

vs. Composition:• Magnetic Storage:

--Recording medium p--Adding 3 atomic % Si

makes Fe a betterrecording medium!

is magnetized byrecording head.

recording medium!

on Fe+3%Si

gnet

izat

i

Fe

Magnetic Field

Mag

Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, andA.S. Tetelman, The Principles ofEngineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9,1973. Electronically reproducedby permission of Pearson Education Inc

Fig. 20.23, Callister 7e.(Fig. 20.23 is from J.U. Lemke, MRS Bulletin,Vol. XV, No. 3, p. 31, 1990.)

by permission of Pearson Education, Inc.,Upper Saddle River, New Jersey.


M. BizarroF. M. Sánchez

ÓPTICAS• Transmittance:

--Aluminum oxide may be transparent, translucent, ory p , ,opaque depending on the material structure.

polycrystal: polycrystal:single crystal

polycrystal:low porosity

polycrystal:high porosity

Adapted from Fig 1 2Adapted from Fig. 1.2,Callister 7e.(Specimen preparation,P.A. Lessing; photo by S. Tanner.)



MECÁNICASMECÁNICAS

• Resistencia a la tensión/compresión• DurezaDureza• Ductilidad• Resiliencia



ENSAYOS DESTRUCTIVOS• Stress & Saltwater...

--causes cracks! • Heat treatment: slows

crack speed in salt water! p

“held at 160ºC for 1 hred

(m/s

)

“as-is”10-8

160 C for 1 hr before testing”

i i l drack

spe

e

10-10 Alloy 7178 tested in saturated aqueous NaCl solution at 23ºC

Adapted from chapter-opening photograph,

Adapted from Fig. 11.20(b), R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials" (4th ed.), p. 505, John Wiley and Sons, 1996. (Original source: Markus O. Speidel, Brown

increasing loadcr

p p p g p g pChapter 17, Callister 7e.(from Marine Corrosion, Causes, and Prevention, John Wiley and Sons, Inc., 1975.) 4m--material:

7150 T651 Al "alloy"

Boveri Co.)

7150-T651 Al alloy(Zn,Cu,Mg,Zr)

Adapted from Fig 11 26Adapted from Fig. 11.26,Callister 7e. (Fig. 11.26 provided courtesy of G.H.Narayanan and A.G. Miller, Boeing CommercialAirplane Company.)Introducción a la


F. M. Sánchez

• La importancia de los materiales ha sidoLa importancia de los materiales ha sido crucial a lo largo de la historia.

• El desarrollo de nuevos materiales ha• El desarrollo de nuevos materiales ha permitido un aumento en el nivel de vida del hombre y ha superado susdel hombre y ha superado sus expectativas en un gran número de áreas.Estudio de materiales• Estudio de materiales →

NUEVOS HORIZONTES



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