Historia de los Materiales PDF

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Muy buen resumen acerca de la historia de los materiales y como la humanidad se adaptó a estos....

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CIENCIA DE LOS MATERIALES HISTORIA Y EVOLUCION DE LOS MATERIALES El hombre y los materiales han evolucionado a la par en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo, ya que el hombre utiliza los materiales para suplir sus necesidades; prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana esta influido en menor o mayor grado por los materiales, como, por ejemplo: vivienda, transporte, vestimenta, comunicación y recreación. El origen de la historia de las civilizaciones se puede describir como la historia del dominio de los materiales (material que alcanzó mayor grado de desarrollo), aprovechando los recursos de su entorno; conociéndose la primera época como la Prehistoria, dividida a su vez como Edad de Piedra y Edad de los Metales (Edad de cobre, Edad de bronce y de hierro); claro que este adelanto no sucedió de manera uniforme ni simultánea en todas partes. La edad de Piedra también llamada Lítica, es el período de la prehistoria que abarca desde que los seres humanos empezaron a elaborar herramientas y armas de piedra hasta el descubrimiento y uso de los metales. Además de la piedra se utilizaron también la madera, la arcilla, las pieles y los huesos. Paleolítico

CARACTERÍSTICAS DE LA EDAD DE PIEDRA Neolítico

(2.800.000 años) Aparición de la humanidad. Aparición del fuego. Se desarrollan las técnicas de tallar con las que se llego al apogeo de la tecnología junto a la utilización de materiales como los huesos, la madera o arcilla para la fabricación de herramientas. La creación de materiales se basa en el principio de la supervivencia.

(5.000 – 2.000 A.C Aprox.) Se perfecciona la elaboración de los utensilios como las azadas, hachas y hoces de sílex.

Se inventa la cerámica, calcinando arcilla. Se utilizan las fibras vegetales para diferentes fines.

El empleo de los metales se debió, inicialmente, a la necesidad que se creó el hombre de utilizar objetos de prestigio y ostentación, para, posteriormente, pasar a sustituir sus herramientas de piedra, hueso y madera por otras mucho más resistentes al calor y al frío (hechas en bronce y, sobre todo, hierro). Finalizado el Neolítico, se da el comienzo de la metalurgia (es un proceso cuyo fin es separar el metal de las impurezas u otros minerales que lo acompañen). La primera etapa se denomina Calcolito (Calcos, Cobre y Litos, piedra) en la que se descubre y se comienza a trabajar el cobre. La segunda etapa es la Edad de bronce, momento en el que se empiezan a realizar aleaciones de cobre y estaño. La tercera etapa, la Edad de hierro. Los utensilios elaborados con metales fueron muy variados: armas, herramientas, vasijas, adornos personales, domésticos y religiosos. El uso de los metales repercutió, a partir de la generalización del hierro, de diversas formas en la conformación de la civilización humana:  

Se intensificó la producción agropecuaria. El trabajo se especializó y diversificó.



Aumentaron los intercambios.



Se institucionalizó la guerra.

CARACTERISTICAS DE LA EDAD DE LOS METALES EDAD DE COBRE EDAD DE BRONCE EDAD DE HIERRO (4000 a 2000 A.C Aprox.) El cobre fue uno de los primeros minerales trabajados por el hombre, ya que se le encuentra en estado casi puro (cobre nativo) en la naturaleza. Junto al oro y la plata fue utilizado desde finales del Neolítico, golpeándolo, al principio, hasta dejarlo plano como una lámina. El cobre compitió con la piedra. (> tenacidad y facilidad de trabajo). Se usa principalmente para adornos. La primera reacción de la química metalúrgica se produjo al reducirse menas de cobre en fuego abierto con leñas, debido al perfeccionamiento de las técnicas cerámicas. Se obtuvo el cobre de minerales como la cuprita o malaquita

(2800 a 1100 A.C Aprox.) Origen del Cobre: Europa (2500-2000 A.C) Egipto (4000 A.C) Mesopotamia, Irán, India. (3500 A.C) Comenzó a controlar los procesos metalúrgicos, empezó a realizar diversas aleaciones con otros minerales, siendo las más habituales la mezcla con arsénico, primero, y la posterior con estaño, la cual dio lugar a un nuevo metal, el bronce. Primera aleación: se forma aleando el mineral de cobre con el estaño (casiterita) en un horno alimentado con carbón vegetal. (mayor resistencia y dureza.) El conocimiento metalúrgico de la fabricación de bronce dio origen a la Edad de bronce. Se utilizaba para la fabricación de herramientas, armas, joyas y esculturas (Fáciles de elaborar). Supuso un significativo avance: favorece el comercio.

Entre los siglos XII A.C y X A.C aprox.), se dio la Edad de hierro, debido a la rápida transición desde las armas de bronce a las de hierro. Parece ser que esto lo generó la falta de estaño. Difícil de trabajar lo que exigió mejores técnicas de metalurgia. Justo con la transición del bronce al hierro se descubre el proceso de carburización, consistente en añadir carbono al hierro, resulta una superficie de acero, era más duro y menos frágil que el bronce.

TRABAJO CON OTROS METALES DE IMPORTANCIA ORO Dada su maleabilidad se fabricaron anillos, brazaletes y collares sin llegar a fundirlos. Se desarrollaron tecnologías avanzadas debido a que los antiguos egipcios apreciaban mucho las joyas.

PLATA La primera aparición de este material se dio en Etiopia y se comercializó a numerosas ciudades. En numerosas ocasiones aparece mezclada con el plomo, como el caso de la Galena y la técnica para separarlas se adapta a los hornos de cobre.

El bronce es la más famosa de las aleaciones a las que se refiere la historia para referirse a la aparición de culturas clásicas y el acero (Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1 % de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición) para la era de la revolución industrial. Las eras más recientes se conocen como "era de los polímeros", debido a que el uso de los mismos definitivamente se debe a avances en la química de gran complejidad. Los polímeros pueden tener virtualmente cualquier propiedad física, así que su uso se hizo tan masivo que define muy bien a las sociedades modernas (sociedades plásticas).

No obstante, la historia, como el desarrollo de materiales, no se detiene. Actualmente se imponen los materiales compuestos, o composites. Formados por la unión de otros.

¿QUE ES UN MATERIAL? Se puede definir como una porción de materia a la que se le da un uso en particular para desarrollar alguna actividad específica. La Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Y responde a la siguiente ecuación: Materia + Uso = Material Ejemplo: La madera destinada a la fabricación de muebles.

Según Smith y Hashemi, J (2004;2), los materiales pueden ser definidos como sustancias de las que algo esta compuesto o hecho. CIENCIA DE LOS MATERIALES Disciplina científica que se interesa primordialmente por la busqueda del conocimiento básico acerca de la estructura interna, las propiedades y la elaboración o procesamiento de los materiales. INGENIERIA DE LOS MATERIALES Disciplina de ingeniería que se interesa primordialmente por el empleo del conocimiento fundamental y aplicado de los materiales, con la finalidad de convertirlos en productos necesarios o deseados por una sociedad.

El estudio de los materiales se aborda de la siguiente manera: 1. Estructura: La estructura de un material se relaciona con la disposición o arreglo de sus átomos, intentando comprender como están constituídos los materiales. Descripción de la forma como se arreglan los elementos constitutivos dentro de un material. Influye en sus propiedades, aunque no cambie la composición química.

Para lograr esta comprensión se analiza la estructura desde diferentes niveles:

La estructura a nivel atómico, se refiere a la disposición de los electrones que rodean al núcleo de los átomos individuales, esta afecta el comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico. En el siguiente nivel, se toma en consideración la disposición o arreglo de los átomos. Cuando los conjuntos de átomos están agrupados de manera regular y ordenada corresponde a una estructura cristalina. También existen materiales que presentan una estructura amorfa y es cuando sus átomos no siguen ningún patrón cuando forman al material; es decir, todos los átomos se encuentran colocados al azar. El próximo gran dominio estructural, que contiene grandes grupos de átomos enlazados entre si, se denomina microscópico y significa que se puede observar utilizando algún microscopio. Finalmente los elementos estructurales suceptibles de apreciarse a simple vista se denominan macroscópicos. Los materiales están formados por una gran cantidad de cristales y/o zonas amorfas. Un material cristalino puede estar formado por varios cristales los cuales difieren entre sí en sus propiedades físicas. Al conjunto de cristales (o zonas amorfas) que presentan las mismas características se les llama fases. La microestructura se define como el conjunto de fases que forman al material. 2. Propiedades: Las propiedades de los materiales dependen principalmente de su estructura atómica, su estructura cristalina y su microestructura. Las Propiedades del material son conceptos que permiten cuantificar el comportamiento o la reacción del material ante estímulos externos. Las propiedades pueden clasificarse de la siguiente manera: • Propiedades físicas: se pueden definir como aquellas propiedades que no afectan a la estructura y composición de los cuerpos.

a) Peso específico: se denomina así al peso por unidad de volumen de un cuerpo. Para cuerpos homogéneos es la relación entre el peso y el volumen del propio cuerpo (kg/dm3). b) Calor específico: indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor sin cambiar de estado. c) Conductividad calorífica: indica la mayor o menor facilidad con que los cuerpos transmiten la energía calorífica a través de su masa. d) Conductividad eléctrica : indica la mayor o menor facilidad que tiene un cuerpo para transportar la energía eléctrica. e) Coeficiente de dilatación: es la propiedad de los cuerpos de aumentar su volumen al elevar su temperatura. f) Punto de fusión: es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al líquido, transformación que se produce con absorción de calor. g) Punto de solidificación: es la temperatura a la cual un material líquido pasa al estado sólido. Durante la transformación hay cesión de calor. Ejemplos de propiedades físicas son el color (cómo se comporta el material ante la luz visible), el peso (cómo se comporta el material ante la gravedad), la resistencia eléctrica (cómo se comporta el material ante una corriente eléctrica), etc. • Propiedades químicas. Describen cómo se comporta el material ante el contacto con sustancias químicas. Para nuestro estudio, las propiedades químicas más relevantes tienen que ver con la corrosión y degradación de los materiales. • Propiedades mecánicas. Describen cómo se comporta el material cuando se someten a determinados esfuerzos exteriores, continuos o discontinuos. a) Acritud: aumento de la dureza y de la resistencia mecánica, pero también de la fragilidad de un material, al someter al material a un determinado proceso. A un material con una elevada acritud se le denomina agrio. b) Colabilidad: capacidad que tiene un material fundido para llenar un molde. c) Ductilidad: capacidad que tiene un material para estirarse en forma de hilos mediante la acción de un esfuerzo mecánico de tracción. d) Dureza: resistencia de un material a ser rayado o penetrado por otro. e) Elasticidad: capacidad de un material de recuperar su forma y dimensiones primitivas una vez que cesa el esfuerzo mecánico que lo estaba deformando. f) Fragilidad: es la facilidad que tiene un material a romperse ante la acción de un impacto por choque. Es opuesta a la resiliencia.

g) Maleabilidad: capacidad que tiene un material para estirarse en forma de láminas mediante la acción de un esfuerzo mecánico de compresión. h) Plasticidad: capacidad que tiene un cuerpo para adquirir deformaciones permanentes cuando es sometido a la acción de un esfuerzo mecánico externo. i) Resiliencia: es la energía por unidad de superficie absorbida por un material en su fractura completa cuando ésta tiene lugar por la acción de un único impacto o choque. j) Tenacidad: resistencia de un material a la rotura cuando es sometido a esfuerzos mecánicos. 3. Procesamiento de los materiales: Los materiales se utilizan para hacer cosas. Durante el proceso de manufactura de esas cosas, es muy común cambiar la forma geométrica del material. Esos procesos de cambio de geometría llevan asociados cambios en las propiedades de los materiales. La Ciencia de los Materiales también estudia el vínculo entre las propiedades y los procesos de manufactura. Para ilustrar mejor esta idea, considere el ejemplo del rolado de una pieza. El proceso de rolado (también se le llama laminado) permite fabricar láminas metálicas. El proceso consiste en hacer pasar una pieza de metal de cierto espesor entre dos rodillos que giran. La distancia de separación entre los rodillos giratorios es menor que el espesor de la pieza de tal forma que ésta es aplastada al pasar entre el espacio que separa a los rodillos, reduciéndose su espesor. El proceso de rolado se repite varias veces en una pieza hasta convertirla en una lámina. En la figura a continuación se muestra un tren de laminación sencillo. La estructura del material cambia a causa del proceso de rolado tal como se ilustra a continuación:

Como resultado del rolado, la resistencia del material (su habilidad para resistir fuerzas aplicadas) aumenta, pero a costa de reducir parte de su ductilidad (su habilidad para seguir siendo deformado).

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES 1) CLASIFICACIÓN SEGÚN SU COMPOSICION

METALES Y ALEACIONES:  Se definen como sustancias inorgánicas que contienen uno o más elementos metálicos y no metálicos. Los elementos metálicos incluyen hierro, aluminio, cobre, níquel, magnesio y titanio; elementos no metálicos incluyen carbono, nitrógeno y oxígeno.  Las características de los metales: presentan estructura cristalina, elevada conductividad eléctrica y térmica, excelente resistencia mecánica y ductilidad o formabilidad a temperatura ambiente, alta tendencia a la corrosión y oxidación.  Los metales pueden ser usados en forma pura o aleaciones que son la mezcla de un metal principal con otros elementos para mejorar las propiedades físicas y mecánicas del metal puro. Variando la composición de las aleaciones se puede conseguir un rango de propiedades diferentes para un amplia gama de aplicaciones. Los metales y aleaciones son resistentes aunque deformables lo cual es muy útil para sus aplicaciones estructurales.  Los metales y las aleaciones suelen dividirse en dos clases: aleaciones y metales ferrosos que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y el hierro fundido, y aleaciones y metales no ferrosos que carecen de hierro o contienen sólo

cantidades relativamente pequeñas de éste. Son ejemplos de metales no ferrosos el aluminio(se utiliza en conductores eléctricos, carpintería metálica, industria aeronáutica, conductos de ventilación, industria del automóvil, conductores eléctricos, envases, papel de aluminio, material deportivo), el cobre (se utiliza en conductores eléctricos, tuberías de gas y aire acondicionado), plomo (se utiliza para fabricar pinturas, baterías, tuberías de desagües, perdigones, recubrimientos de conductores),el zinc (su principal aplicación es el galvanizado del acero para protegerlo de la corrosión, también se utiliza en recipientes de hogar, recubrimientos de pilas en estado puro y en aleaciones con el aluminio, el cobre y el níquel), el titanio y el níquel (se utiliza en la fabricación de monedas, tubos y conductos, en aceros aleados (acero inoxidable) para griferías, herramientas, baterías de cocina). CERAMICOS:  El término “cerámica” proviene de la palabra griega “keramikos”, que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura que se denomina cocción.  Estos se pueden definir como materiales inorgánicos, formados por elementos metálicos y no metálicos (óxidos, nitruros y carburos) unidos quimicamente, extiende la calidad de cerámicos hasta minerales de arcilla, cemento y vidrio.  Debido a la presencia de porosidad no son buenos conductores térmicos, la mayoria de los materiales cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a altas temperaturas pero tienden a ser frágiles. Se destacan como ventajas de este tipo de materiales para aplicaciones industriales su peso ligero, gran resistencia y dureza,resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes.  Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste, los vuelve útiles en revestimiento de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero.  También se incluyen como aplicaciones de los materiales cerámicos las válvulas, intercambiadores de calor,materiales refractarios, aislantes eléctricos y térmicos,fibra óptica, losetas de aislamiento para naves espaciales, recubrimiento magnéticos entre otras.  Algunas desventajas de este tipo de materiales son: dificultad para elaborar con ellos productos terminados, y por tanto su alto costo y que son materiales frágiles, en comparación con los metales presentan baja tenacidad. POLIMEROS:

 La mayoria de estos materiales son compuestos orgánicos basados en elementos como el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos y se obtienen a través de un proceso llamado polimerización, es decir creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas;entre los materiales poliméricos esta el caucho y muchas clases de adhesivos.  Estos materiales tienen baja conductividad térmica y eléctrica y proporcionan buen aislamiento térmico a bajas temperaturas, poseen una relación de resistencia a peso muy buena debido a su baja densidad lo que se traduce en un peso bajo, no son adecuados para utilizarse a temperaturas elevadas y son resistentes a sustancias corrosivas; además estos tienen miles de aplicaciones desde chalecos antibalas, discos compactos(CD), pantallas de cristal liquido(LCD) y fibras textiles.  Dentro de este grupo de materiales existen los termoplásticos cuya cadena molecular no están unidas en forma rígida, son resistentes y tienen buena ductilidad y formabilidad, estos se fabrican en estado fundido; los termofijos son mas resistentes pero son mas frágiles debido a que sus cadenas moleculares están estrechamente enlazadas debido a que se cuelan en moldes. COMPUESTOS:  Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales (fases o constituyentes) integrados para formar un material nuevo. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos.  La mayoria de los materiales compuestos están formados por un material específico de relleno que a su vez sirve de refuerzo y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas. Los materiales compuestos están diseñados para alcanzar la mejor combinación de los materiales constituyentes, ejemplo: la fibra de vidrio es mecanicamente resistente debido al vidrio y flexible debido al polimero; si se mezcla un polímero con fibras metálicas, es posible obtener un material compuesto que tenga bajo peso aportado por el polímero y que al mismo tiempo pueda conducir la electricidad (propiedad aportada por las fibras metálicas).  Los materiales compuestos nos brindan la posibilidad de utilizar materiales ligeros, resistentes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas, resistentes a choques, a partir de elementos que en su estado individual no poseen estas propiedades como lo son los polímeros reforzados con fibra de carbono con los que se obtienen bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis entre otros.

 Entre los materiales compuestos más importantes se encuentran: plasticos reforzados con fibras, hormigon, asfalto, la madera. Las fib...