Todo comenzó hace unos 2,6 millones de años, cuando
un antecesor nuestro, el Australophitecus y unos 200000
años más tarde el Homo habilis, en algún
lugar de África oriental se entretenía golpeando
dos piedras entre si. Al hacerlo, una de ellas se fracturó
exponiendo bordes muy filosos. Nuestro antecesor comprobó
que con esa piedra filosa podía cortar fácilmente
ramas de árboles, cortar alimentos, cazar más
fácilmente los animales de los que se alimentaban y
defenderse de aquéllos que les resultaban
peligrosos.
La habilidad del hombre del paleolítico para producir
distintos tipos de instrumentos puntiagudos o filosos queda en
evidencia por la evidencia arqueológica que nos muestra
cuchillos, puntas de flecha y de lanzas de la edad de piedra
Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Luis A. de Vedia
Tal es la importancia de los materiales en la vida del hombre que
la historia (y la prehistoria) de la humanidad suele dividirse en
períodos asociados con los materiales dominantes en cada
época.
Entre los primeros indicios de producción de cobre se
encuentran los de la Civilización del Valle del Indo,
actualmente Pakistán, que datan de unos 4300 años
a.C. Para producir el cobre metálico los hornos
debían contar con una corriente de aire forzada. La misma
se conseguía a pulmón, soplando con tubos
cerámicos, o construyendo los hornos usando fuelles para
soplar aire.
El 19 de Setiembre de 1991, dos turistas alemanes encontraron un
cuerpo humano en un glaciar, en el límite entre Austria e
Italia. Desde 1998 el cuerpo, conocido vulgarmente como
“Ötzi the Iceman” se encuentra preservado en una
heladera especial, en el Museo Arqueológico de Bolzano, en
Italia. El nombre con el que se lo bautizó deriva del
lugar en el que fue hallado: Alpes Ötzal. Las condiciones
del glaciar preservaron inalterado el cuerpo por 5300
años!
El cabello de Ötzi contenía partículas de
cobre y de arsénico, lo que hace suponer que había
participado en tareas de producción y fundición de
cobre. Entre sus pertenencias se encontró un hacha de
cobre y flechas con puntas de pedernal, un arco y un cuchillo de
pedernal con mango de madera de fresno. El calzado estaba hecho
con piel de oso y de ciervo en la parte superior y el cuero
estaba impermeabilizado con grasa animal.
Dejemos ahora a Ötzi y la edad del cobre, para ir a la zona
del Valle del Indo. Los habitantes del lugar, después de
aproximadamente 1000 años de usar el cobre, mejoraron sus
propiedades agregándole otro metal, el estaño, con
lo que se obtenía lo que ahora conocemos como bronce. Al
agregar estaño al cobre, y obtener el bronce, se
tenía un material que fundía más
fácilmente y que era considerablemente más duro que
el cobre. Para tener una idea de los objetos que se
producían en la edad del bronce, en la figura vemos un
conjunto de armas y ornamentos encontrados en Rumania.
El bronce demostró así ser mucho más
conveniente que el cobre, por lo que en el uso para armas y
aplicaciones similares desplazó al cobre y a la piedra.
Una fuente importante de cobre, en la zona del
Mediterráneo, fue la isla de Chipre. El cobre se
comercializaba en forma de lingotes. En tanto que el
estaño podía provenir de parajes tan lejanos como
las Islas Británicas. Esto nos muestra que en esa
época la navegación ya estaba muy avanzada. (Gp:)
Lingote de Cobre primitivo
Los minerales de cobre no son muy abundantes en la naturaleza,
por lo que resultaba imposible encarar construcciones que
requirieran cantidades grandes de material, como para hacer un
puente. Para estas aplicaciones el hombre debió seguir
usando por mucho tiempo la piedra como lo muestra este puente de
la época del imperio romano.
El Acueducto de Segovia es la obra de ingeniería civil
romana más importante de España y es uno de los
monumentos más significativos y mejor conservados de los
que dejaron los romanos en la península
Ibérica.
(Gp:) La necesidad de recurrir a diseños aptos para evitar
la fractura no es un concepto nuevo. Un recurso utilizado hasta
fines del siglo XVIII y XIX fue la utilización de
elementos estructurales trabajando en compresión como lo
ilustra este diseño de un puente romano. Esta necesidad
surgía debido al comportamiento relativamente
frágil de los materiales estructurales utilizados hasta la
introducción de la producción en masa del acero en
la Revolución Industrial.
(Gp:) Antiguo horno para producir arrabio fundido, posterior al
siglo XIV d.C. Luego de la edad del bronce, el siguiente cambio
lo observamos entre 1000 y 1500 años a.C. cuando comienza
la edad del hierro. Para fundir hierro se necesita una
temperatura de 1535ºC. Hay una aleación que forma el
hierro con alrededor de 4% de carbono, y que se la conoce como
arrabio. Pero aún el arrabio necesita 1130ºC para
fundir. Por esto el hierro fundido no se llegó a conocer
en Europa hasta el siglo XIV d.C., y esto fue gracias a que se
construyen grandes hornos, con importante inyección de
aire. El horno de la figura se alimenta por arriba con mineral de
hierro, carbón y fundentes, y por debajo se extrae el
arrabio fundido.
(Gp:) Máquina de vapor construida en Hierro El uso del
hierro, debido a su abundancia, encontró usos que no se
habían pensado con los otros metales conocidos hasta ese
entonces. Se fabricaron armas, como con el bronce, pero
también se hicieron pinzas y martillos que facilitaron el
trabajo de forjado del hierro, se hicieron arados,
guadañas, picos y palas, que facilitaron las tareas
agrícolas. Al ser poco resistente a la corrosión
atmosférica, no servía como material de ornamento
personal, pero fue muy útil para herraduras de caballos y
para infinidad de otras aplicaciones útiles en la vida
cotidiana.
(Gp:) Primer puente de hierro fundido. Fue construido sobre el
río Severn, en Coalbrookdale, Inglaterra, en 1779. Este
material comenzó a desplazar también a la piedra en
estructuras tales como los puentes. Debido a su bajo costo, su
abundancia y sus buenas propiedades mecánicas, el hierro
es todavía hoy el metal del que más toneladas se
producen en el mundo
(Gp:) El 95,45 % del peso de los metales producidos en la
actualidad corresponde al hierro y acero. El peso de todos los
otros metales juntos no alcanza al 5% del total.
El operario no podría manipular un tubo de cobre que
estuviera en contacto con vidrio fundido. El uso del hierro
permitió desarrollar también otras
tecnologías. Al contar con tubos de hierro, fue posible el
soplado del vidrio fundido. Con el cobre no se podía hacer
el soplado del vidrio fundido, por la alta conductividad
térmica de este metal.
(Gp:) Perfumero de Vidrio Egipto – Aprox. 1350 A.de C. Hasta ese
momento los recipientes de vidrio se elaboraban con bandas de
vidrio que se deformaban en caliente, sobre un molde de barro
cocido. Luego se rompía cuidadosamente el molde interior,
y se pulía la parte exterior. Su elaboración era
complicada, por lo que eran objetos muy costosos, y solamente
accesibles a reyes o faraones. La figura nos muestra un perfumero
de vidrio hallado en una tumba egipcia, fabricado por ese
método tan laborioso, y que ahora se expone en el Museo
Británico, en Londres.
(Gp:) En épocas recientes, un metal que influyó
mucho en las actividades del hombre fue el aluminio. Pese a que
los minerales de aluminio son muy abundantes en la corteza
terrestre, es muy difícil la separación del metal.
En 1846 se podían producir pequeñas cantidades de
aluminio, pero por un método muy costoso. Como resultado,
el aluminio en esa época era más caro que el oro.
Prueba de ello es que el emperador Napoleón III, que
gobernó Francia entre 1852 y 1870, en los banquetes que
organizaba, a los invitados principales les hacía servir
la comida en platos de aluminio, en tanto que los demás
invitados se debían resignar a comer en platos de
oro.
La situación del aluminio cambió totalmente en
1886, cuando en forma independiente un americano y un
francés desarrollaron un método de
producción de aluminio basado en la electrólisis de
sales fundidas. Este método permitió producir
aluminio en forma mucho más económica, y lo
transformó en el metal que vemos diariamente en una
multitud de aplicaciones. El hecho de ser un metal resistente
mecánicamente y además liviano, lo hizo muy
atractivo para la industria aeronáutica. Así es
como se usó en las estructuras de los antiguos dirigibles,
tales como los alemanes Zeppelin.
(Gp:) Más tarde permitió la construcción de
los aviones comerciales que estamos acostumbrados a ver en la
actualidad. El uso del aluminio hizo posible que el transporte
aéreo se convierta en un recurso accesible a la
mayoría de las personas.
(Gp:) Utilización hecha por el hombre de los materiales a
través del tiempo, desde la prehistoria hasta nuestros
días
(Gp:) Los elementos predominantemente metálicos son los
que ocupan la parte izquierda de la tabla periódica como
se muestra a continuación:
(Gp:) Los polímeros comerciales son compuestos de los
elementos que se señalan en la Tabla Periódica, es
decir H, C, N, O, F y Si
(Gp:) Los cerámicos son combinaciones de uno o más
elementos metálicos con uno o más de los elementos
C, N, O, P y S
(Gp:) covalente (Gp:) semiconductores (Gp:) polímeros
(Gp:) metálico (Gp:) metales (Gp:) secundario (Gp:)
Cerámicos y vidrios (Gp:) iónico Los distintos
tipos de enlace y los materiales a que dan origen
(Gp:) ENLACE IONICO Formación del compuesto iónico
NaCl a partir de la transferencia de un electrón de la
capa externa de Na a la del Cl
(Gp:) ENLACE COVALENTE Este enlace se produce entre elementos que
se encuentran cercanos en la Tabla Periódica. En el enlace
covalente los átomos no ceden electrones sino que los
comparten de forma de completar sus capas exteriores adquiriendo
la configuración electrónica de un gas noble. (Gp:)
Estructura atómica covalente (izquierda) del diamante y
del butano (derecha)
(Gp:) ENLACE METALICO El enlace metálico puede
considerarse como una variante del enlace covalente en el que los
electrones compartidos no se encuentran asociados a pares de
átomos en particular sino que son compartidos
cooperativamente por todos los átomos del sólido.
Una imagen frecuentemente utilizada es la de un “mar”
de electrones libres en el cual se encuentran inmersos los
núcleos atómicos y sus capas electrónicas
internas. Este concepto permite explicar la alta conductividad
eléctrica y térmica de los metales.
(Gp:) Un ejemplo particularmente importante de este tipo de
enlace es el llamado “puente de hidrógeno” que
es responsable de la relativamente elevada estabilidad de este
líquido y de su alto punto de ebullición. ENLACES
DEBILES O DE VAN DER WAALS Son enlaces que se establecen entre
átomos o moléculas que poseen momento dipolar. El
momento dipolar puede ser inducido por la cercanía de otro
átomo o molécula o bien puede ser un dipolo
permanente como el exhibido por la molécula de agua. En
muchos casos, los enlaces que vinculan los átomos de un
compuesto, no son puramente iónicos o covalentes. Un
ejemplo lo constituyen los cerámicos y los vidrios en los
que los enlaces pueden ser de naturaleza parcialmente
iónica y covalente.
(Gp:) CLASES DE MATERIALES (Gp:) METALES (Gp:) POLIMEROS (Gp:)
CERAMICOS (Gp:) VIDRIOS (Gp:) COMPUESTOS
Veamos la contribución de los distintos materiales en algo
familiar para todos como lo es una cocina moderna. ¿Que
ocurre si eliminamos los objetos metálicos…?
Este es el resultado ¿Qué ocurre si ahora
eliminamos los cerámicos…?
¿Qué nos queda si eliminamos ahora los objetos de
plástico más obvios?
Eliminemos ahora completamente los polímeros…
(Gp:) Finalmente hemos eliminado todos los polímeros y nos
queda ….
(Gp:) Hasta los años ’50, la metalurgia se
había desarrollado en forma empírica, esencialmente
por prueba y error, con poca o ninguna contribución del
conocimiento científico, salvo quizás de la
termodinámica y la físico-química a fines
del siglo XIX y comienzos del XX, pero básicamente
utilizada en el área extractiva y de reducción de
minerales. En particular, los conocimientos ya existentes en la
época referentes a la estructura atómica, no
habían aun hecho impacto en la tecnología de los
metales.
Fue recién a partir de los años ‘50 que
empieza a producirse el matrimonio entre la Física y la
metalurgia tradicional dando origen a lo que hoy conocemos como
Metalurgia Física, que comenzaba entonces a tomar carta de
ciudadanía como una rama legítima de la
Física. Esta unión introdujo un nuevo paradigma que
tiene vigencia hasta nuestros días. Este paradigma surge
del reconocimiento que las propiedades de los materiales, tanto
mecánicas como magnéticas, eléctricas y
nucleares, son cualidades emergentes no sólo de la
composición química sino en gran medida de la
estructura de los mismos
(Gp:) El término estructura, aplicado a un material, debe
entenderse aquí algo así como la
“arquitectura” en distintas escalas de
descripción de aquél, es decir a nivel
atómico, en el que quedan definidas las estructuras (Gp:)
cristalinas y los defectos cristalinos, a nivel
mesoscópico en el que se definen e identifican las fases y
microfases presentes y su distribución, y a un nivel que
podemos llamar macroscópico, en el que se caracteriza el
tamaño de grano y su morfología o textura.
(Gp:) ESTRUCTURA PROPIEDADES donde el término estructura
se refiere a la manera en que los distintos constituyentes de un
material se encuentran distribuidos. Por esto, el significado del
término estructura depende del nivel de resolución
con que observamos un material… De modo que podemos afirmar que
el paradigma de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
modernos es la relación
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
LA VERSIÓN DE DESCARGA