INGENIERIA EN MATERIALES Instituto Sabato UNSAM - CNEA Dr. Jos R. Galvele

MSc. Hebert Vizconde Pomape

FACULTAD DE INGENIERIA Escuela de Ingeniera IndustrialMateriales de Ingeniera

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Todo comenz hace unos 2,6 millones de aos, cuando un antecesor nuestro, el Australophitecus y unos 200000 aos ms tarde el Homo habilis, en algn lugar de frica oriental se entretena golpeando dos piedras entre si.

Los Materiales y la HumanidadAl hacerlo, una de ellas se fractur exponiendo bordes muy filosos. Nuestro antecesor comprob que con esa piedra filosa poda cortar fcilmente ramas de rboles, cortar alimentos, cazar ms fcilmente los animales de los que se alimentaban y defenderse de aqullos que les resultaban peligrosos.

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La habilidad del hombre del paleoltico para producir distintos tipos de instrumentos puntiagudos o filosos queda en evidencia por la evidencia arqueolgica que nos muestra cuchillos, puntas de flecha y de lanzas de la edad de piedraLos Materiales y la Humanidad4

Tal es la importancia de los materiales en la vida del hombre que la historia (y la prehistoria) de la humanidad suele dividirse en perodos asociados con los materiales dominantes en cada poca. Los Materiales y la Humanidad5

Los Materiales y la HumanidadEntre los primeros indicios de produccin de cobre se encuentran los de la Civilizacin del Valle del Indo, actualmente Pakistn, que datan de unos 4300 aos a.C. Para producir el cobre metlico los hornos deban contar con una corriente de aire forzada. La misma se consegua a pulmn, soplando con tubos cermicos, o construyendo los hornos usando fuelles para soplar aire.

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Los Materiales y la HumanidadEl 19 de Setiembre de 1991, dos turistas alemanes encontraron un cuerpo humano en un glaciar, en el lmite entre Austria e Italia.

Desde 1998 el cuerpo, conocido vulgarmente como tzi the Iceman se encuentra preservado en una heladera especial, en el Museo Arqueolgico de Bolzano, en Italia.

El nombre con el que se lo bautiz deriva del lugar en el que fue hallado: Alpes tzal. Las condiciones del glaciar preservaron inalterado el cuerpo por 5300 aos!

7Los Materiales y la HumanidadEl cabello de tzi contena partculas de cobre y de arsnico, lo que hace suponer que haba participado en tareas de produccin y fundicin de cobre.

Entre sus pertenencias se encontr 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 tzi y la edad del cobre, para ir a la zona del Valle del Indo. Los habitantes del lugar, despus de aproximadamente 1000 aos de usar el cobre, mejoraron sus propiedades agregndole otro metal, el estao, con lo que se obtena lo que ahora conocemos como bronce.

Al agregar estao al cobre, y obtener el bronce, se tena un material que funda ms fcilmente y que era considerablemente ms duro que el cobre.

Para tener una idea de los objetos que se producan en la edad del bronce, en la figura vemos un conjunto de armas y ornamentos encontrados en Rumania.

Los Materiales y la Humanidad9Los Materiales y la HumanidadEl bronce demostr as ser mucho ms conveniente que el cobre, por lo que en el uso para armas y aplicaciones similares desplaz al cobre y a la piedra.

Una fuente importante de cobre, en la zona del Mediterrneo, fue la isla de Chipre.

El cobre se comercializaba en forma de lingotes. En tanto que el estao poda provenir de parajes tan lejanos como las Islas Britnicas. Esto nos muestra que en esa poca la navegacin ya estaba muy avanzada.

Lingote de Cobre primitivo10Los 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.

Los Materiales y la HumanidadPara estas aplicaciones el hombre debi seguir usando por mucho tiempo la piedra como lo muestra este puente de la poca del imperio romano.

11Los Materiales y la Humanidad

El Acueducto de Segovia es la obra de ingeniera civil romana ms importante de Espaa y es uno de los monumentos ms significativos y mejor conservados de los que dejaron los romanos en la pennsula Ibrica.12

La necesidad de recurrir a diseos aptos para evitar la fractura no es un concepto nuevo. Un recurso utilizado hasta fines del siglo XVIII y XIX fue la utilizacin de elementos estructurales trabajando en compresin como lo ilustra este diseo de un puente romano. Esta necesidad surga debido al comportamiento relativamente frgil de los materiales estructurales utilizados hasta la introduccin de la produccin en masa del acero en la Revolucin Industrial.Los Materiales y la Humanidad13Los Materiales y la Humanidad

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 aos a.C. cuando comienza la edad del hierro. Para fundir hierro se necesita una temperatura de 1535C. Hay una aleacin que forma el hierro con alrededor de 4% de carbono, y que se la conoce como arrabio. Pero an el arrabio necesita 1130C para fundir. Por esto el hierro fundido no se lleg a conocer en Europa hasta el siglo XIV d.C., y esto fue gracias a que se construyen grandes hornos, con importante inyeccin de aire. El horno de la figura se alimenta por arriba con mineral de hierro, carbn y fundentes, y por debajo se extrae el arrabio fundido. 14

Mquina de vapor construida en HierroLos Materiales y la HumanidadEl uso del hierro, debido a su abundancia, encontr usos que no se haban pensado con los otros metales conocidos hasta ese entonces.

Se fabricaron armas, como con el bronce, pero tambin se hicieron pinzas y martillos que facilitaron el trabajo de forjado del hierro, se hicieron arados, guadaas, picos y palas, que facilitaron las tareas agrcolas.Al ser poco resistente a la corrosin atmosfrica, no serva como material de ornamento personal, pero fue muy til para herraduras de caballos y para infinidad de otras aplicaciones tiles en la vida cotidiana.15Los Materiales y la Humanidad

Primer puente de hierro fundido. Fue construido sobre el ro Severn, en Coalbrookdale, Inglaterra, en 1779.Este material comenz a desplazar tambin a la piedra en estructuras tales como los puentes.Debido a su bajo costo, su abundancia y sus buenas propiedades mecnicas, el hierro es todava hoy el metal del que ms toneladas se producen en el mundo

16Los Materiales y la Humanidad

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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Los Materiales y la HumanidadEl operario no podra manipular un tubo de cobre que estuviera en contacto con vidrio fundido.El uso del hierro permiti desarrollar tambin otras tecnologas.

Al contar con tubos de hierro, fue posible el soplado del vidrio fundido. Con el cobre no se poda hacer el soplado del vidrio fundido, por la alta conductividad trmica de este metal. 18

Perfumero de VidrioEgipto - Aprox. 1350 A.de C.Los Materiales y la HumanidadHasta 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 rompa cuidadosamente el molde interior, y se pula la parte exterior.

Su elaboracin 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 mtodo tan laborioso, y que ahora se expone en el Museo Britnico, en Londres.19Los Materiales y la HumanidadEn pocas recientes, un metal que influy 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 difcil la separacin del metal. En 1846 se podan producir pequeas cantidades de aluminio, pero por un mtodo muy costoso.

Como resultado, el aluminio en esa poca era ms caro que el oro. Prueba de ello es que el emperador Napolen III, que gobern Francia entre 1852 y 1870, en los banquetes que organizaba, a los invitados principales les haca servir la comida en platos de aluminio, en tanto que los dems invitados se deban resignar a comer en platos de oro.

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Los Materiales y la HumanidadLa situacin del aluminio cambi totalmente en 1886, cuando en forma independiente un americano y un francs desarrollaron un mtodo de produccin de aluminio basado en la electrlisis de sales fundidas.

Este mtodo permiti producir aluminio en forma mucho ms econmica, y lo transform en el metal que vemos diariamente en una multitud de aplicaciones.

El hecho de ser un metal resistente mecnicamente y adems liviano, lo hizo muy atractivo para la industria aeronutica. As es como se us en las estructuras de los antiguos dirigibles, tales como los alemanes Zeppelin.21Los Materiales y la HumanidadMs tarde permiti la construccin de los aviones comerciales que estamos acostumbrados a ver en la actualidad. El uso del aluminio hizo posible que el transporte areo se convierta en un recurso accesible a la mayora de las personas.

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Utilizacin hecha por el hombre de los materiales a travs del tiempo, desde la prehistoria hasta nuestros dasLos Materiales y la Humanidad23Los elementos predominantemente metlicos son los que ocupan la parte izquierda de la tabla peridica como se muestra a continuacin:

Los Materiales y la Humanidad24Los polmeros comerciales son compuestos de los elementos que se sealan en la Tabla Peridica, es decir H, C, N, O, F y Si

Los Materiales y la Humanidad25Los cermicos son combinaciones de uno o ms elementos metlicos con uno o ms de los elementos C, N, O, P y S

Los Materiales y la Humanidad26Los Materiales y la Humanidad

covalentesemiconductorespolmerosmetlico metalessecundarioCermicos y vidriosinicoLos distintos tipos de enlace y los materiales a que dan origen

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ENLACE IONICOFormacin del compuesto inico NaCl a partir de la transferencia de un electrn de la capa externa de Na a la del ClLos Materiales y la Humanidad28

ENLACE COVALENTEEste enlace se produce entre elementos que se encuentran cercanos en la Tabla Peridica. En el enlace covalente los tomos no ceden electrones sino que los comparten de forma de completar sus capas exteriores adquiriendo la configuracin electrnica de un gas noble. Los Materiales y la Humanidad

Estructura atmica covalente (izquierda) del diamante y del butano (derecha)29Los Materiales y la HumanidadENLACE METALICOEl enlace metlico puede considerarse como una variante del enlace covalente en el que los electrones compartidos no se encuentran asociados a pares de tomos en particular sino que son compartidos cooperativamente por todos los tomos del slido.

Una imagen frecuentemente utilizada es la de un mar de electrones libres en el cual se encuentran inmersos los ncleos atmicos y sus capas electrnicas internas.Este concepto permite explicar la alta conductividad elctrica y trmica de los metales.

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Un ejemplo particularmente importante de este tipo de enlace es el llamado puente de hidrgeno que es responsable de la relativamente elevada estabilidad de este lquido y de su alto punto de ebullicin.

ENLACES DEBILES O DE VAN DER WAALSSon enlaces que se establecen entre tomos o molculas que poseen momento dipolar. El momento dipolar puede ser inducido por la cercana de otro tomo o molcula o bien puede ser un dipolo permanente como el exhibido por la molcula de agua.Los Materiales y la HumanidadEn muchos casos, los enlaces que vinculan los tomos de un compuesto, no son puramente inicos o covalentes. Un ejemplo lo constituyen los cermicos y los vidrios en los que los enlaces pueden ser de naturaleza parcialmente inica y covalente.31

CLASES DE MATERIALESMETALESPOLIMEROSCERAMICOSVIDRIOSCOMPUESTOSLos Materiales y la Humanidad32

Veamos la contribucin de los distintos materiales en algo familiar para todos como lo es una cocina moderna.Los Materiales y la HumanidadQue ocurre si eliminamos los objetos metlicos...?33

Este es el resultado Qu ocurre si ahora eliminamos los cermicos...?Los Materiales y la Humanidad34

Qu nos queda si eliminamos ahora los objetos de plstico ms obvios?Los Materiales y la Humanidad35

Eliminemos ahora completamente los polmeros...Los Materiales y la Humanidad36

Finalmente hemos eliminado todos los polmeros y nos queda ....37Hasta los aos 50, la metalurgia se haba desarrollado en forma emprica, esencialmente por prueba y error, con poca o ninguna contribucin del conocimiento cientfico, salvo quizs de la termodinmica y la fsico-qumica a fines del siglo XIX y comienzos del XX, pero bsicamente utilizada en el rea extractiva y de reduccin de minerales.

En particular, los conocimientos ya existentes en la poca referentes a la estructura atmica, no haban aun hecho impacto en la tecnologa de los metales.

Los Materiales y la Humanidad38Fue recin a partir de los aos 50 que empieza a producirse el matrimonio entre la Fsica y la metalurgia tradicional dando origen a lo que hoy conocemos como Metalurgia Fsica, que comenzaba entonces a tomar carta de ciudadana como una rama legtima de la Fsica. Esta unin introdujo un nuevo paradigma que tiene vigencia hasta nuestros das.

Este paradigma surge del reconocimiento que las propiedadesde los materiales, tanto mecnicas como magnticas, elctricas y nucleares, son cualidades emergentes no slo de la composicin qumica sino en gran medida de la estructura de los mismosLos Materiales y la Humanidad39El trmino estructura, aplicado a un material, debe entenderse aqu algo as como la arquitectura en distintas escalas de descripcin de aqul, es decir a nivel atmico, en el que quedan definidas las estructuras

cristalinas y los defectos cristalinos, a nivel mesoscpico en el que se definen e identifican las fases y microfases presentes y su distribucin, y a un nivel que podemos llamar macroscpico, en el que se caracteriza el tamao de grano y su morfologa o textura.

Los Materiales y la Humanidad40ESTRUCTURA PROPIEDADESdonde el trmino estructura se refiere a la manera en que los distintos constituyentes de un material se encuentran distribuidos. Por esto, el significado del trmino estructura depende del nivel de resolucin con que observamos un material... De modo que podemos afirmar que el paradigma de la Ciencia e Ingeniera de los Materiales modernos es la relacinLos Materiales y la Humanidad41...y el ingeniero en materiales requiere mejorar cada vez ms sus medios de observacin

...desde el ojo desnudo, pasando por el microcopio ptico, hasta el microscopio electrnico.....Los Materiales y la Humanidad42...que utiliza un haz de electrones en lugar de luz visible para investigar la estructura de los materiales a muy pequea escala.

Abajo vemos algunos microscopios electrnicos convencionales y a la derecha uno que emplea electrones con energas de 1.000.000 de eV!!Los Materiales y la Humanidad43

La imagen muestra un delgado film vtreo (amorfo) entre dos granos de Nitruro de Silicio (SiN). Se revela la presencia de tomos de Lantano unidos a las superficie de los granos. La imagen fue registrada con el microscopio electrnico de barrido que posee el rcord de resolucinde 0.7 Angstroms en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, USA. Se ha superpuesto a la imagen un modelo atmico de la misma.

Los Materiales y la Humanidad44

El microscopio de fuerza atmica (AFM, de sus siglas en ingls Atomic Force Microscope) es un instrumento mecnico-ptico capaz de detectar fuerzas del orden de los piconewtons. El microscopio de fuerza atmica ha sido esencial en el desarrollo de la nanotecnologa, para la caracterizacin y visualizacin de muestras a dimensiones nanomtricas. Los Materiales y la Humanidad

Imagen de tomos de grafito obtenida con el microscopio de fuerza atmica45Si seguimos avanzando en el nivel de resolucin con que podemos observar a los materiales, llegamos finalmente a la estructura atmica.

Puede decirse que las propiedades que exhiben los materiales en gran escala, son emergentes de la manera en que se encuentran dispuestos sus atomos.

Los Materiales y la Humanidad46Los Materiales y la HumanidadLa estreo-especificidad de los enlaces covalentes determina el tipo de estructura. Los enlaces inicos, por tener su origen en la atraccin coulombiana favorecen ordenamientos compactos.

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Algunos compuestos, P.Ej. los polmeros, pueden formar cristales moleculares. Los polmeros forman un estructura cristalina plegndose sobre s mismos utilizando enlaces dbiles como en el polietileno, que da origen a una celda ortorrmbica.Los Materiales y la Humanidad48Los Materiales y la Humanidad

En los vidrios (amorfos) y en los cermicos (cristalinos), el tetrahedro de slice SiO44- es una unidad estructural muy importante que se encuentra en muchos compuestos cermicos y vtreos.49Los Materiales y la Humanidad

Modelo de esferas de la slice amorfa SiO2Las esferas rojas representan los tomos de oxgeno y las amarillas los de silicio.50

Las propiedades mecnicas, por ejemplo, estn directamente relacionadas con la estructura del material a nivel atmico.

Los Materiales y la HumanidadUn cristal de aluminio y uno de magnesio exhibirn comportamientos diferentes bajo carga debido a que sus tomos se encuentran ordenados de distinta forma. Las flechas indican las direcciones en que se pueden deformar ambos cristales. Vemos que el Al puede hacerlo en ms direcciones que el Mg.

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Diversos tipos de imperfecciones puntuales que pueden contener los cristalesLos Materiales y la Humanidad52

Modelo atmico de una dislocacin de borde (derecha). La figura inferior muestra esquemticamente el movimiento de una dislocacin de borde en su plano de deslizamiento bajo la accin de esfuerzos de corte y el efecto que produce de desplazamiento de la porcin superior del cristal respecto de la porcin inferior.Los Materiales y la Humanidad53

Analoga frecuentemente utilizada entre el movimiento de dislocaciones de borde positivas y negativas con los mecanismos empleados por orugas y gusanos para desplazarse, y con un posible mtodo para lograr el desplazamiento de una alfombra pesada.Los Materiales y la Humanidad54

Deformacin de monocristales de Zn (derecha) y de otro monocristal hexagonal compacto (abajo) por accin de un esfuerzo de corte actuando sobre los planos basales

Los Materiales y la Humanidad55

Bosque de dislocaciones observado mediante microscopa electrnica de transmisin. Arriba E.Orowan, que introdujo con otros el concepto de dislocacin tericamente. A la derecha, Sir A. Cottrell, que contribuy a la comprensin de la interaccin entre dislocaciones y tomos (Atmsferas de Cottrell).Los Materiales y la Humanidad56

MODELO DE BURBUJAS DE UN BORDE DE GRANO DE GRAN ANGULOLos Materiales y la Humanidad57

La propagacin de bandas de deslizamiento en un material policristalino requiere que el apilamiento de dislocaciones en el borde de grano deba producir una concentracin de tensionessuficiente para iniciar el deslizamiento en un sistema del grano adyacente. Una estructura de grano ms fina obliga a que haya ms sitios de reiniciacin lo que aumenta la resistencia a la deformacin del policristal.Los Materiales y la Humanidad58

Si se observa con suficiente cuidado, todo posee una pequea fisura......Ted Crawford(personaje de ficcin interpretado por Anthony Hopkins en el film policial Fracture)Los Materiales y la Humanidad59

La frase anterior expresa de manera clara y simple una de las premisas bsicas de toda estrategia moderna de prevencin de fallas por fractura rpida, que constituye una de las formas ms letales y catastrficas de rotura que puede producirse en una estructura.

Los Materiales y la Humanidad60

La experiencia diaria nos sugiere que los materiales presentan dos comportamientos bien diferenciados de rotura: la fractura frgil, como ocurre en un vidrio o en un cermico y la de los metales en general, en los que la rotura es la culminacin de un proceso de deformacin plstica (fractura dctil)Los Materiales y la Humanidad61

De Havilland Comet, primer jet comercial, en vuelo. Este avin, de origen britnico fue presentado en los primeros aos de la dcada del 50. Lamentablemente, una serie de catstrofes interrumpi la produccin y el servicio de la aeronave. Cuando los problema fueron resueltos luego de, 5 aos de estudios, los EE.UU. ya haban tomado la vanguardia en la aviacin comercial de reaccin (Boeing) Los Materiales y la Humanidad62

Interior del fuselaje de un De Havilland Comet falladoLos Materiales y la Humanidad63

Detalle de la fisura por fatiga iniciada en la esquina de la ventanillaLos Materiales y la Humanidad64

Un final menos penoso correspondi al vuelo 243 de Aloha Airlines, que luego de sufrir una descompresin explosiva de la cabina, pudo aterrizar en el aeropuerto de Kahului (Maui) el 28 de Abril de 1988, con slo un miembro de la tripulacin fallecido al ser despedido al vaco. La falla se atribuye a una fractura detonada por una fisura originada por fatiga.

Los Materiales y la Humanidad65Los Materiales y la HumanidadEl momento del desastre del Challenger en

La Tripulacin del ChallengerLa Tripulacin del ColumbiaDao en las tejas del escudo trmico registrada por los propios tripulantes durante la misin (Derecha)Oring similar al que produjo la falla en el Challenger (Izquierda)66

Un mtodo utilizado para producir aleaciones de aluminio nano-estructuradas es mediante la tcnica conocida como melt-spinning que consiste en una rueda de Cu que gira a alta velocidad logrando as el brusco enfriamiento del aluminio fundido que se va depositando sobre la misma. Este intenso sobreenfriamiento permite la formacin de ncleos estables que al crecer conforman una estructura de grano ultrafina en forma de cinta. El material as logrado se consolida posteriormente por compresin.Los Materiales y la Humanidad67Los Materiales y la Humanidad

Aleacin superplstica nanoestructuada Pb-Sn68Algunos polmeros nuevos son realmente sorprendentes, como el Kevlar, introducidopor Du Pont. Se lo produce en forma de fibras de muy alta resistencia. La resistencia es tangrande que se usa, entre otras aplicaciones, para la confeccin de chalecos antibalas

Los Materiales y la Humanidad69

Hoy, los cientficos e ingenieros en materiales han sido capaces de producir estructuras que no se encuentran en la naturaleza. Un ejemplo reciente es el C60, llamado buckminsterfullerene!!, mas simplemente buckyball, que tiene una gran cantidad de aplicaciones tecnolgicas an no totalmente explotadas.Otro ejemplo es el buckytube que vemos abajoLos Materiales y la Humanidad70

El progreso de la industria aerospacial depende crticamente de la ingeniera en materiales

Los Materiales y la Humanidad71

La estructura de los aviones modernos contiene, a diferencia de las aeronaves del pasado construidas casi enteramente en aluminio y acero, una diversidad de materiales.Entre estos se destacan los compuestos avanzados consistentes en filamentos de grafito y boro en una matriz epoxy.En el esquema vemos un jet Air Force 17 mostrando las partes hechas con compuestos de matriz polimrica.

Los Materiales y la Humanidad72

Por ejemplo, una aleacin de base nquel llamada Alloy 718 es empleada para compresores y turbinas en la industria aeronutica. Esta aleacin se ha venido mejorando progresivamente durante 30 aos a travs del agregado de Mg, tcnicas de fusin al vaco, y contrariamente a lo que se crea hasta no hace mucho, mediante adiciones controladas de P, C y B para mejorar su resistencia a altas temperaturas

Los Materiales y la Humanidad73

Alabes de turbina aeronutica de superaleacin de base Ni. La imagen de la derecha corresponde a un diseo avanzado refrigerado por aire. Estos elementos deben mantener adecuada resistencia mecnica y estabilidad dimensional en ambientes agresivos a temperaturas de aproximadamente 1000C.Los Materiales y la Humanidad74

El automvil, quizs ms an que el avin, es el ejemplo ms elocuente de aplicacin de la ingeniera en materiales.

Es un sistema complejo con ms de 15000 piezas y con docenas de sistemas diferentes que deben cumplir su funcin de manera segura y eficiente.El esquema superior destaca partes y materiales crticos que intervienen en la construccin de un concept car.

Los Materiales y la Humanidad75

Cuando se pensaba que el uso del acero en el automvil ya no dejaba lugar a mejoras, la industria siderrgica en conjunto con la automotriz ha logrado recientemente disear y construir un automvil de estructura de acero que es 24% ms liviano y 34% mas resistente a un costo inferior al de los autos convencionales.

Los Materiales y la Humanidad76

Los materiales compuestos permiten obtener combinaciones de propiedades imposibles de obtener con un solo tipo de material. Entre los materiales compuestos se destacan los reforzados por fibras o por partculas.

En la imagen superior vemos el aprovechamiento que se hace de plsticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) en un vehculo de competicin.A la izquierda pueden verse diversos perfiles estructurales hechos con el mismo tipo de compuesto.

Los Materiales y la Humanidad77

Paquete de fibras de vidrio de refuerzo antes de ser incluidas en un polmero (arriba).

Elemento estructural reforzado por fibras (derecha).

Los Materiales y la Humanidad78

Aqu vemos otros avances: un recubrimiento de poliuretano directamente unido a la llanta de acero o aluminio la protege de la corrosin y la abrasin aumentando considerablemente la vida til de la rueda.

A la izquierda vemos una tapa de guantera moldeada en una sola pieza en resina ABS, con diseo de panel de abejasLos Materiales y la Humanidad79El cuerpo humano es la mquina ms compleja que existe sobre la tierra. Como toda mquina, a veces se daa. El gran desafo de los ingenieros y cientficos en materiales es hallar sustitutos artificiales para aquellas partes que deben ser reemplazadas.

Aqu vemos algunos componentes del cuerpo humano que ha podido ser sustituidos exitosamente gracias a que se ha desarrollado materiales biocompatibles que se comportan como los tejidos naturales.Los Materiales y la Humanidad80

Estas partes pueden ser tan simples como las amalgamas que el odontlogo ha venido utilizando desde 1832 para reparar huecos en los dientes, y cuya composicin habitual es50% Hg (Mercurio)20% Mx. Ag (Plata)15% Mn. Cu (Cobre)15% Mx. Sn (Estao)

En los ltimos 10 aos se han desarrollado compuestos cermicos aptos para el relleno de piezas dentales que aventajan a las amalgamas en varios aspectos: son qumicamente inertes, de baja conductividad trmica, muy resistentes y estticas.

Los Materiales y la Humanidad81

A la izquierda vemos una prtesis de hombro y a la derecha una de cadera. Tradicionalmente estas prtesis se han fabricado con materiales metlicos, tales como aceros inoxidables y aleaciones de Ti, pero muy recientemente han comenzado a desarrollarse piezas de vidrios-cermicos.Las articulaciones son estructuras biomecnicas sorprendentes. Los esfuerzos que soportan son increblemente grandes. La ingeniera de materiales debe encontrar reemplazos que cumplan eficientemente su funcin, pero que adems su superficie exterior permita que el hueso crezca sobre ella para asegurar una correcta fijacin.Los Materiales y la Humanidad82Los Materiales y la Humanidad

Numerosos investigadores estn trabajandoactualmente en temas tales como el desarrollo de polmeros que se contraen en presencia de un campo elctrico y que serviran para desarrollar msculos artificiales aplicables a problemas ortopdicos.83

Un desafo quizs todava mayor para la ciencia e ingeniera de los materiales es el reemplazo de tejidos blandos con productos que sustituyen desde vasos sanguneos, hasta msculos y porciones de piel mediante fibras sintticas polimricas.

El corazn es otra pieza sorprendente de biomecnica. Durante nuestras vidas debe latir 2500 millones de veces y bombear casi 200 millones de litros de sangre a travs del cuerpo. La primera vlvula cardaca artificial de aleacin CoCr se implant hace unos 40 aos. Hoy, esta tecnologa representa un negocio de U$S 500 millones al ao!!Los Materiales y la Humanidad84Tejas de almina reforzadas con fibras del mismo material utilizadas en servicio de alta abrasin.

Ejemplos de aplicacin de cermicos avanzados. Las tejas utilizadas en la regin de nariz del Sache Shuttle como blindaje trmico durante el reingreso a la atmsfera. Los Materiales y la Humanidad

Rtula de cadera de almina.

85Los Materiales y la Humanidad

Edificio Dakin, en California, diseado con paneles externos de porcelana. Recibi varios premios, entre ellos el del American Institute of Architects de 1992.86Los Materiales y la Humanidad

Pastillas o pellets de dixido de Uranio (UO2) para elementos combustibles nucleares de potencia producidas mediante el proceso de sinterizado en atmsfera controlada.87

Matriz de SiC reforzada con fibras largas del mismo material (SiCf/SiC). Este es un material experimental para los futuros rectores de fusin debido a su elevada resistencia mecnica a altas temperaturas y su baja activacin neutrnica.Actualmente se investiga el mejoramiento de su conductividad trmica.Los Materiales y la Humanidad88

Hojas de cuchillos de cermicos avanzados de grano ultra fino retienen el filo 10 veces ms que los de acero incluyendo los de alto carbono. Los Materiales y la Humanidad

En un ensayo de desgaste consistente en corte de blocs de papel repetido 1000 veces se observa el menor desgaste en el cermico avanzado con respecto a un cermico convencional.

89Los Materiales y la HumanidadLa tcnica de fusin zonal se aplic para producir germanio y silicio muy puros. Partiendo de estos elementos muy puros, los fsicos pudieron controlar sus propiedades elctricas, variando elcontenido de impurezas. As es como desarrollaron los transistores.

Primer transistor - 1947

En la figura podemos ver la apariencia que tena el primer transistor, hecho en 1947 y por cuyo trabajo sus autores recibieron el Premio Nobel.90Los Materiales y la HumanidadLa superconductividad es la capacidad intrnseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente elctrica sin resistencia ni prdida de energa en determinadas condiciones.La resistencia de un superconductor desciende bruscamente a cero cuando el material se enfra por debajo de su temperatura crtica.

Heike Kamerlingh Onnes (right), descubridor de la supercondcutividad en 1911.La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estao y el aluminio, diversas aleaciones metlicas y algunos semiconductores fuertemente dopados.

Una corriente elctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentacin. Al igual que el ferromagnetismo y las lneas espectrales atmicas, la superconductividad es un fenmeno cuntico.

91Los Materiales y la Humanidad

Hoy la Fsica del Slido ha permitido entender tales estados especiales de la materia, lo que ha conducido al desarrollo de memorias magnticas avanzadas para computadoras (derecha) y materiales superconductores (abajo) que permiten disear sistemas de transporte de alta velocidad con suspensin levitatoria.92

Equipo de soldadura en fase slida de aceros por Friccin - Agitacin (Friction Stir Welding) desarrollado recientemente en la Argentina empleando una herramienta de cermico avanzado.Los Materiales y la Humanidad93

Los Materiales y la Humanidad94Los Materiales y la Humanidad

El puente de suspensin Golden Gate en la baha de San Francisco.

95Los Materiales y la Humanidad

Puente Box Girder Ro-Niteri96Referencias Bibliogrficas:

Estructura y propiedades de los materiales. (2006). Nilthon Zavaleta Gutierrez. Pags: 1-14.Ciencia e ingenieria de los materiales. (2002). Donald R. Askeland. Pags: 5-18Fundamentos de la ciencia e ingeniera de los materiales. William F. Smith. 93-100 ppCurso Structure & Prop of Metals. U. Cambrigde. Internet.Metalurgia, metalografia y materiales de construccin B.A. Kuzmin, A.I. Samojotski12-22 pp