• El hombre primitivo desarrolló una gran destreza para crear armas punzo- cortantes, tales como cuchillos, flechas y lanzas, para defenderse de las bestias.
Edad del cobrorígenes de la metalurgia (5000 a 1500 A.C.)
Unos cuantos siglos después de que el hombre comenzar a usar las primeras herramientas, allá por el año 9500 adC a alguien de las proximidades de la antigua Mesopotamia se le ocurrió calentar hasta fundir unas piedras que encontró, obteniendo así, tras darle forma y dejarlas solidificar, la primera pieza metálica de la historia, que fue de cobre, y de paso, llevó a cabo el primer proceso industrial, por muy rudimentario que fuese. Sin embargo, el inicio de la edad del cobre no se data aficialmente hasta el año 5000 adC, fecha a partir de la cual se considera que su uso ya era frecuente en la mayoria de las culturas de la época. Puede resultar sorprendente para nosotros que fuera precisamente el cobre el primer metal es ser usado, más aun teniendo en cuenta que las propiedades que presentaba entonces eran bastante pobres, pero la explicación radica en la sencillez del proceso de obtención en comparación con el hierro ( algo que sin duda en la siderurgia moderna ocurre totalmente al contrario ). Para la obtención de piezas de cobre bastaba con calentar la mena hasta fundirla, verter el mineral en un molde y dejarlo enfriar. Lógicamente, en un principio no había ninguna operación de afino y sólo se eliminaba la ganga. Las piezas así obtenidas tenían una cierta resistencia ( pero muy poca tenacidad ya que eran muy frágiles ) sin necesidad de forja y por ello era bastante sencillo operar con él. Ese cobre iva mezclado con una gran cantidad de aleantes e impurezas, pero el término bronce se reserva para cuando ya se comenzó a añadir estaño de forma intencionada.
Fue con el empleo del cobre cuando se comenzaron a desarrollar hornos especiales que alcanzaban elevadas temperaturas, necesarias para fundir la mena: Los más avanzados tenían un crisol cerámico de forma trococónica invertida en el cual se depositaba el mineral y se mezclaba con algo de carbón de leña, pues se había descubierto que así se mejoraba el producto final ( con el calor, parte de las impurezas se liberan como monóxido y dióxido de carbono consiguiéndose un importante afino del metal y una mejora de sus propiedades ). Por medio de largos tubos o fuelles se insuflaba aire al fuego para alcanzar temperaturas de unos 1000 ºC necesarias para fundirlo. Por un agujero practicado en el fondo del crisol iba cayendo el caldo líquido que se llevaba hasta los moldes, en donde se dejaba solidificar. La escoria se retiraba fácilmete ya que al tener menor densidad flota sobre el cobre.
Es en esta época, hacia el año 4500 adC cuando se comienza a trabajar el oro, metal que sería desde el principio muy apreciado por su belleza y rareza, al igual que para nosotros.
• 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.
Edad de bronce: desarrollo de aleaciones (2000 – 0 A.C.)
El desarrollo del bronce surge con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del cobre. Aunque no hay datos demasiado fiables, se cree que fueron los egipcios los primeros que añadieron estaño al cobre ( 3000 adC ) al observar que así se mejoraban sus propiedades, creando así la primera aleación “intencionada”. Las proporciones inicialmente usadas solían rondar el 10% de estaño . Se comprobó como aumentaba la dureza, disminuía el punto de fusión y aumentaba la resitencia a la corrosión. También se comprobó que el bronce era reciclable, es decir, se podían fundir las piezas ya obtenidas y volver a obtener otras de idénticas propiedades. La técnica de obtención del bronce es idéntica a la del cobre, con la salvedad de que se emplea una menor temperatura de fusión,
teniendo cuidado de no excederla en exceso para evitar la oxidación, y que hay que añadir el estaño.
• 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.
EDAD DEL HIERRO: (1000 A.C. – 1950 D.C.)
Y, por fin, con casi 7000 años de retraso respecto al cobre, llegó la hora de que la humanidad comenzara a usar el “rey de todos los materiales”, el hierro. Como se indicó más arriba, no fue por problemas de abundancia ( es el segundo mineral más común en la corteza terrestre, tras el
aluminio ), ni de desconociminto, sinó puramente tecnológico. Como curiosidad, en un principio el hierro era considerado la joya más preciada, pues se trataba de hierro meteórico, procedente de meteoritos, por lo que era muy escaso.
Según antiquísimos escritos, los precursores del empleo del hierro habrían sido los hititas, que habrían comenzado a fundirlo a partir del año 2000 adC.
Fabricar hierro requería un procedimiento muy distinto al del cobre y el bronce ( no se fundía ), primero porque había que conseguir con gran capacidad calorífica: el mineral machacado debía estar totalmente rodeado de carbón de leña ( que se consumía en grandes cantidades ) y numerosos fuelles que, a través de toberas, insuflaban oxígeno continuamente. El mineral debía ser precalentado en un horno y por medio de golpes se eliminaban algunas impurezas; luego se llevaba al estado incandescente, en un segundo horno, hasta obtener una masa denominada hierro esponjoso, altamente impuro, por lo que volvía a ser golpeado en caliente para refinarlo. Después de un largo y repetitivo proceso de martilleo y calentamiento, evitando que el hierro se enfriase, se obtenía una barra forjada, bastante pura, resistente y maleable. Para las armas y ciertas herramientas, el hierro se templaba enfriándolo bruscamente en agua
• “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!).
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.
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
¿y en la actualidad?
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.
• Era del Silicio?
Todos los
componentes
electrónicos
• Era de los polímeros?
Todos los plásticos
incluyendo fibras
textiles
Materiales tecnológicos
Uno de los motores de la evolución y el desarrollo de las sociedades humanas ha sido la tecnología. De hecho, las grandes eras históricas han ido tomando el nombre de los materiales que el hombre primitivo aprendió a trabajar: Edad de piedra, Edad de bronce y Edad de hierro.
Miles de millones de años antes, las enérgicas reacciones químicas y las convulsiones de la corteza terrestre, sumadas a las altísimas temperaturas y presiones del interior de la Tierra produjeron los minerales, primeros materiales utilizados por el hombre para defenderse y cazar.
Miles de millones de años antes, las enérgicas reacciones químicas y las convulsiones de la corteza terrestre, sumadas a las altísimas temperaturas y presiones del interior de la Tierra produjeron los minerales, primeros materiales utilizados por el hombre para defenderse y cazar.
Más tarde, descubrió que calentando ciertas sustancias minerales era posible obtener materiales más resistentes y duraderos. De tal forma, el hombre conoció el bronce, el hierro, la plata y el oro.
Esto supuso el pasaje del uso de materiales creados por la naturaleza a los fabricados por el hombre. A los primeros los llamaremos materias primas y a los segundos materiales, para diferenciarlos por su origen.
Es así, que podemos definir como materia prima a las sustancias que se extraen directamente de la naturaleza y materiales a toda materia prima que, transformadamediante procesos físicos y/o químicos, es utilizada en la fabricación de objetos tecnológicos.
El proceso tecnológico sería el siguiente: se extrae la materia prima, que se convierte posteriormente en material, y con los materiales obtenidos construimos el artefacto (producto tecnológico).
6- Pétreos: Se obtienen cortando la roca en diferentes formas y tamaños o triturándolas. Ejemplos: bloques de granito, placas de mármol, láminas de vidrio, etc.
Los materiales se eligen por sus propiedades, es decir por un conjunto de características que determinan su comportamiento frente a agentes externos como la electricidad, la luz, el calor o las fuerzas mecánicas.
Esto supuso el pasaje del uso de materiales creados por la naturaleza a los fabricados por el hombre. A los primeros los llamaremos materias primas y a los segundos materiales, para diferenciarlos por su origen.
Es así, que podemos definir como materia prima a las sustancias que se extraen directamente de la naturaleza y materiales a toda materia prima que, transformadamediante procesos físicos y/o químicos, es utilizada en la fabricación de objetos tecnológicos.
El proceso tecnológico sería el siguiente: se extrae la materia prima, que se convierte posteriormente en material, y con los materiales obtenidos construimos el artefacto (producto tecnológico).
Se conocen 6 tipos de materiales:
1- Cerámicos: Se obtienen moldeando la arcilla y sometiéndola luego a un proceso de cocción a altas temperaturas. Representantes de este grupo son la cerámica gruesa y la porcelana.
2- Textiles: las materias primas son transformadas para formar hilos o telas mediante hilado, tejido u otros procesos fisicoquímicos. Ejemplos: fibras de seda, algodón, celulosa, proteína animal, nylon o lycra.
3- Maderas: El proceso de explotación comienza con la tala de árboles como abeto, balsa, roble, algarrobo, entre otros, y sigue con el corte de tablas, tablones, chapas y listones.
4- Plásticos: Se obtienen por un proceso de polimerización a partir del petróleo, carbón, gas natural, materias primas vegetales (celulosa) y proteínas animales. Son ejemplos el celofán, el caucho y el PVC.
5- Metálicos: Los minerales extraídos de las minas son sometidos a distintos procesos como calcinación, tostación y electrólisis para obtener planchas o hilos de cobre, bronce, plata, aluminio, acero, hierro, etc.
Los materiales se eligen por sus propiedades, es decir por un conjunto de características que determinan su comportamiento frente a agentes externos como la electricidad, la luz, el calor o las fuerzas mecánicas.
PROPIEDADES FÍSICAS
Propiedades mecánicas
De todas las propiedades, las mecánicas, tal vez, sean las más importantes, ya que describen el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a la acción de fuerzas externas.
Dureza: es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. Para medir la dureza de un material se utiliza la escala de Mohs, escala que utiliza diez minerales como términos de comparación. El más blando es el yeso y el más duro el diamante.
Tenacidad: es la resistencia que ofrece un material a romperse cuando es golpeado.
Fragilidad: es la capacidad que tienen algunos materiales de romperse fácilmente cuando son golpeados. Es una propiedad opuesta a la tenacidad.
Elasticidad: es la propiedad que tienen los materiales de recuperar su forma original.
Plasticidad: facilidad de un material para adquirir deformaciones permanentes. Es una propiedad contraria a la elasticidad.
Maleabilidad: facilidad para extenderse en láminas o planchas.
Ductibilidad: facilidad para extenderse formando cables o hilos.
Propiedades ópticas
Determinan la respuesta del material a la acción de la luz.
Materiales transparentes: son aquellos que dejan pasar la luz y permiten ver nítidamente los objetos a través de ellos.
Materiales translúcidos: permiten el paso de la luz pero no permiten ver nítidamente los objetos.
Materiales opacos: no permiten el paso de la luz, por lo tanto, tampoco los objetos.
Propiedades acústicas
Determinan la respuesta de los materiales frente al sonido.
Conductividad acústica: es la propiedad que tienen los materiales de transmitir los sonidos.
Propiedades eléctricas
Determinan el comportamiento de los materiales ante una corriente eléctrica.
Materiales conductores: permiten fácilmente el paso de la corriente eléctrica.
Materiales aislantes: no permiten el paso de la corriente eléctrica.
Materiales semiconductores: sólo permiten el paso de la corriente en determinadas condiciones. Hay materiales que por encima de una temperatura crítica se comportan como conductores y por debajo de ella como aislantes.
Materiales superconductores: permiten que la corriente eléctrica circule sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. De hecho, una corriente eléctrica fluyendo en uno de estos materiales podría persistir casi indefinidamente sin ninguna fuente de alimentación.
Propiedades magnéticas
Ponen de manifiesto el comportamiento de los materiales frente a determinados metales.
Materiales magnéticos: son aquellos que pueden atraer a otros materiales metálicos.
Propiedades piezoeléctricas
Es la capacidad que tienen algunos materiales de adquirir una diferencia de cargas eléctricas en su superficie al ser sometidos a tensiones mecánicas.
Materiales piezoeléctricos: son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. La compresión de este tipo de materiales produce una separación de los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas y ,en consecuencia, una diferencia de potencial
PROPIEDADES QUÍMICAS
Se manifiestan cuando los materiales sufren transformaciones al reaccionar con otras sustancias. A diferencia de los agentes físicos, las reacciones químicas transforman al material en otro diferente.
Oxidación: es la capacidad con la que un material reacciona con el oxígeno del aire o del agua. Los metales son los materiales que más fácilmente se oxidan.
PROPIEDADES ECOLÓGICAS
Las propiedades ecológicas se clasifican de acuerdo al impacto que producen los materiales en el medio ambiente:
Materiales reciclables: son aquellos que pueden ser reciclados, es decir, pueden ser usados para fabricar otro material diferente,
Materiales reutilizables: son aquellos que se pueden utilizar para el mismo uso.
Materiales tóxicos: son materiales nocivos para los seres vivos, ya que pueden contaminar el aire, el agua y la tierra.
Materiales biodegradables: son materiales que la naturaleza demora poco tiempo en descomponerlos en otras sustancias.
Templabilidad: Es la capacidad de un material metálico de ser transformado en su estructura cristalina al sufrir cambios bruscos de temperatura.
Las Propiedades tecnológicas o de fabricación de los materiales son las propiedades que determinan o informan de la capacidad de un material determinado de ser sometido a una determinada operación industrial.
Las propiedades tecnológicas de los materiales son básicamente las siguientes:
- Colabilidad: Es la capacidad de un material fundido para colarse en un molde y penetrar en todos sus resquicios llenándolo totalmente, para producir objetos completos y sin fallos. Para que un material sea colable debe tener una gran flluidez.
- Ductilidad: Es la capacidad de un material para ser deformado mediante esfuerzos de tracción. La ductilidad disminuye al aumentar la dureza del material.
Dibujo Vía Wikipedia. (a):Frágil; (b):Dúctil; (c):Muy dúctil.
- Forjabilidad: Es la facilidad de un material para deformarse mediante golpes cuando se encuentra a temperatura elevada.
- Fusibilidad: Es la propiedad que permite a los materiales transformarse en piezas fundidas sanas mediante la fusión.Entre los materiales con mayor fusibilidad están el bronce y el latón.
- Maquinabilidad o facilidad de mecanizado: Es la facilidad o dificultad que presenta un material para trabajarse con herramientas cortantes. En el torneado, el material gira y la cuchilla se desplaza longitudinalmente. En el Fresado, el material se desplaza mientras una rueda dentada cortante fija va girando.
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