Cap 01 - Guillermo Aldana Rosales

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CAPITULO 1 
 
1. INTRODUCCION A LA CIENCIA Y TECNOLOGIA DE MATERIALES 
 
1.1 Un poco de historia 
 
La importancia de los materiales en la vida moderna es obvia: Maquinarias de todo tipo, 
barcos, edificios, herramientas, ropa, aparatos de comunicación etc., Todo está hecho con 
materiales. Se podría decir que el avance técnico de la humanidad está condicionado a su 
capacidad para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. 
Esto es así de tal forma que las primeras edades del hombre se llamaron por el material 
utilizado: Edad de piedra, de bronce, de hierro.... 
Los materiales pueden ser Metales, Polímeros, Cerámicos y Compuestos de algunos de los 
grupos anteriores. Modernamente aparece otro grupo que son materiales electrónicos. 
Algunos ejemplos pueden ser: 
-Metales: Acero, cobre, hierro, aluminio, oro, etc. 
-Polímeros: PVC, teflón, poliuretano, madera, hueso, etc. 
-Cerámicos: Vidrios, ladrillos, hormigón, piedra, pedernal, etc. 
-Compuestos: Pinturas, Fibras de vidrio reforzadas con poliéster, ladrillos de barro reforzados 
con paja. etc. 
En la Fig. 1.1 se presenta un listado de los principales materiales utilizados en la actualidad. 
 
 
Fig. 1.1. Principales materiales utilizados hoy en día 
 
 
En la Fig. 1.2 se muestra la evolución de los materiales a lo largo de la historia. Los materiales 
utilizados por el hombre en edades prehistóricas fueron aquellos que le proporcionaba la 
naturaleza: Piedras, huesos, madera,... Posiblemente en esos tiempos también utilizasen 
metales nativos (oro, cobre) pero estos más bien como adornos, puesto que eran blandos para 
utilizarlos como herramientas o en todo caso no podían manufacturarlas, puesto que aun 
desconocían la fundición. 
Se cree que en el neolítico, cuando el hombre descubrió la cerámica, comenzaron a aparecer 
las primeras herramientas metálicas. En los hornos de cocción de cerámicas pudo aparecer 
algún metal fundido. 
Con el tiempo se empezaron a controlar estas fundiciones para elaborar bronces (Cu y Sn) y 
aparece la Edad del Bronce. Además del bronce se utilizarían herramientas de otros metales 
nativos, en los que se podría incluir el acero proveniente de meteoritos. De todos modos estas 
herramientas de acero serian escasas. 
 
 
 
Fig. 1.2 Evolución de los materiales con el tiempo (M.F.Ashby). 
 
A partir de cierto momento alguien descubrió como obtener acero partiendo de minerales de 
hierro y surge la edad del hierro. Históricamente se tiene constancia de que los Hititas 
utilizaron armas de acero, gracias a las cuales conquistaron a los Sumerios y Caldeos, pueblos 
mucho más civilizados, pero aun en la edad del bronce. 
Poco a poco los yacimientos de metales en estado puro se fueron agotando y el hombre fue 
perfeccionando las técnicas para obtenerlos a partir de minerales que los contengan. 
El gran desarrollo de la metalurgia se produjo el siglo XIX y se continuó en el XX. De tal forma 
que muchos pensadores opinan que nunca el hombre se encontró con un desarrollo 
tecnológico tan rápido y que difícilmente se podría repetir. 
De esta forma en la década de los 50 prácticamente todo el material utilizado era metal y 
fundamentalmente acero. 
Paralelamente al desarrollo de los metales, el hombre siempre utilizo otros materiales, pero 
desde la antigüedad hasta los 50 el uso de cerámicos, polímeros y compuestos fue decreciendo 
con relación a los metales. 
Fue a partir del descubrimiento del Nylon y del Polietileno (PE) cuando se empezaron a 
descubrir y desarrollar nuevos polímeros, de forma que su utilización fue en aumento desde la 
década de los 50 hasta nuestros días. 
Un poco más tarde, en los 70, aparece la fibra de vidrio reforzada con poliéster, y a partir de 
ahí el gran desarrollo de los materiales compuestos. 
Los cerámicos siempre se utilizaron, pero básicamente en construcción. A partir de los 70-80 
aparecen los cerámicos tenaces y desde ahí aumenta su utilización. En la actualidad, aunque 
se siguen utilizando mayoritariamente metales, la tendencia es a utilizar materiales de las 
distintas familias por un igual. 
El futuro se va a caracterizar por materiales sintéticos a la carta. A modo de ejemplo curioso 
un material de reciente aparición (año 2004) es un híbrido acero elastómero (goma): Tiene la 
resistencia del acero, pero se deforma como una goma (ver Nota 1) 
 
1.2 Ciencia y Tecnología de Materiales 
 
Podemos empezar definiendo dos conceptos fundamentales: 
La estructura interna de un material da cuenta de cómo es por dentro. Puede ser a escala 
subatómica (Electrones, protones,..) atómica (enlaces, geometría cristalina,...), microscópica 
(se observa a través de un microscopio) y macroscópica (se observa a simple vista). 
Las propiedades de un material son las respuestas de los mismos a estímulos externos: Si a un 
material para romperlo necesitamos aplicarle una fuerza muy alta, decimos que es resistente. 
Resistencia mecánica es pues una propiedad del material. Existen seis tipos distintos de 
propiedades: Mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas. 
La Ciencia de los Materiales estudia la relación entre la estructura interna de los materiales y 
sus propiedades. 
Los ejemplos siguientes podrían aclarar lo dicho: 
Un hecho conocido es que una herramienta de corte, elaborada con acero, al calentarse en 
exceso, por ejemplo durante un afilado, la mayoría de las veces pierde su dureza y se hace 
inservible. También ocurre lo contrario: si a esa misma herramienta inservible, la calentamos 
al rojo e inmediatamente después la introducimos en agua (temple), recupera su dureza. 
Lo que en realidad estamos haciendo es cambiar la configuración interna del acero, y en 
general de cualquier material, por medio de calentamientos y enfriamientos. Esta configuración 
interna se puede modificar igualmente por medio de trabajos mecánicos en el material, 
doblándolo, golpeándolo, etc. 
Otro hecho también conocido es que los bronces ordinarios son una mezcla de cobre y estaño, 
dándose la característica de que el cobre y el estaño son dos metales fácilmente deformables, 
recuérdense los tubos de cobre y las varillas de estaño. Por el contrario el bronce es un metal 
duro y resistente, con el se hacen las hélices de los barcos, y hasta no hace muchos años, los 
cañones. En este caso, jugamos con las configuraciones internas de unos materiales, para 
mezclándolos (aleándolos), obtener otra distinta. 
Por último podríamos citar la fibra de vidrio utilizada en la elaboración entre otras cosas de 
cascos para embarcaciones. Este material es resistente y sin embargo se elabora con hilos de 
vidrio, como si fuera paja, y con una resina (plástico), que deforma con facilidad. Estamos 
aprovechando las propiedades distintas de dos materiales para obtener otro deseado 
uniéndolos físicamente. Este método no modifica a gran escala las configuraciones internas de 
los materiales, aunque en la unión se dan fenómenos complejos. 
Podríamos decir pues que la Ciencia de Materiales tiene como fin el conocimiento del conjunto 
de materiales existentes así como de sus propiedades y la relación de estas con su estructura 
interna. 
La Tecnología de Materiales se centra en elaborar, con materiales, productos necesarios o 
requeridos por la sociedad, para lo cual utiliza los Conocimientos de la ciencia de los 
Materiales. Es decir la Tecnología de Materiales por una parte intenta obtener unos materiales 
de unas características determinadas con tratamientos térmicos, mecánicos, aleándolos, 
uniéndolos, etc. Y por otra fija el método de elaboración del componente: Por forja, fundición, 
soldadura, material compuesto, etc. 
Muchas veces es difícil distinguir entre Ciencia y Tecnología ya que a menudo van solapadas, 
por eso surge la signatura Ciencia y Tecnología de Materiales. 
Se podría decir que la misión última de la Ciencia y Tecnología de los Materiales es elegirel 
material y el proceso adecuado para la elaboración de un componente. 
En cualquiera de los casos es necesario para comprender bien los procesos que ocurren en 
dichas operaciones un conocimiento de estructura interna de los materiales. 
 
Nota 1: Recientemente se comenzó a utilizar un material compuesto para cascos de barcos 
petroleros o cargas peligrosas que puedan contaminar mares y océanos. Consiste en un doble 
casco de acero con una capa intermedia de elastómero. Así, si el buque sufre un golpe y 
rasgadura del casco exterior, el elastómero intermedio absorbe el impacto y evita que se 
quiebre el casco interior, salvaguardando su carga de fugas hacia el exterior. Otro uso más 
antiguo de combinaciones de acero y elastómeros son los antivibradores de chapas de acero y 
núcleo elastomérico, que se emplean, por ejemplo, para aislar de vibraciones al piso donde se 
asientan máquinas pesadas que producen golpes o, a edificios construidos en zonas de sismos.