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Los materiales y la humanidad




Enviado por Pablo Turmero



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    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.

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    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

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    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.

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    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.

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    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!

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    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.

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    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.

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    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

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    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.

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    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.

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    (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.

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    (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.

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    (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.

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    (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

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    (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.

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    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.

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    (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.

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    (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.

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    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.

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    (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.

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    (Gp:) Utilización hecha por el hombre de los materiales a
    través del tiempo, desde la prehistoria hasta nuestros
    días

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    (Gp:) Los elementos predominantemente metálicos son los
    que ocupan la parte izquierda de la tabla periódica como
    se muestra a continuación:

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    (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

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    (Gp:) Los cerámicos son combinaciones de uno o más
    elementos metálicos con uno o más de los elementos
    C, N, O, P y S

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    (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

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    (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

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    (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)

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    (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.

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    (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.

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    (Gp:) CLASES DE MATERIALES (Gp:) METALES (Gp:) POLIMEROS (Gp:)
    CERAMICOS (Gp:) VIDRIOS (Gp:) COMPUESTOS

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    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…?

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    Este es el resultado ¿Qué ocurre si ahora
    eliminamos los cerámicos…?

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    ¿Qué nos queda si eliminamos ahora los objetos de
    plástico más obvios?

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    Eliminemos ahora completamente los polímeros…

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    (Gp:) Finalmente hemos eliminado todos los polímeros y nos
    queda ….

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    (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.

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    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

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    (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.

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    (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

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