Historia de los materiales. Relación entre Ciencia de los Materiales e Ingeniería de Materiales.

1. SMM0319 - Materiais Avançados
Universidad Tecnológica de Panamá (UTP)
Centro Regional de Veraguas
Faculta de Ingeniería Mecánica
Asignatura:
Ciencia de los Materiales
Prof. Alexis Tejedor De León, PhD, DHC
Introducción y
conceptos
fundamentales
atejedor@cwpanama.net y Alexis.Tejedor@utp.ac.pa
www.alexistejedor.org
@DrAlexisTejedor

2. Video JIC - Veraguas
https://www.youtube.com/watch?v=3_jJ23NWqqw

4. Asista al video e identifique el nombre
de los materiales mencionados.
• https://youtu.be/mMajijl6EdA

5. A final de la clase complete el
cuadro de aprendizaje
Material Propiedad o
característica
Definición

6. Materiales:
de la prehistoria a los tiempos modernos.

7. Chapter 1 -
Introduction
• What is materials science?
• Why should we know about it?
• Materials drive our society
– Stone Age
– Bronze Age
– Iron Age
– Now?
• Silicon Age?
• Polymer Age?

8. Chapter 1 -
Why Study Materials Sci. ?
• To be able to select a material for a given use based
on considerations of cost and performance.
• To understand the limits of materials and the change
of their properties with use.
• To be able to create a new material that will have
some desirable properties.

9.  Many times, a materials problem is selecting the one of
right material from the many thousands that are
available.
 On only rare occasions does a material possess the ideal
combination of properties.
 Second selection consideration:
Change of properties that may occur during
service operation.
 What will the finished product cost ?
Why Study Materials Science ?

10. Why study materials?
• applied scientists or engineers must make material choices
• materials selection
– in-service performance
– deterioration
– economics
BUT…really, everyone makes material choices!
aluminum glass plastic

11. Materiales con historia
La evolución de las sociedades humanas ha estado ligada al desarrollo de
nuevos materiales.
Todo natural: piedra, madera y huesos.
Paleolítico: fabricación de los primeros utensilios en cuarcita, sílex, madera,
cuero y fibras vegetales.
Neolítico: descubrimiento de la cerámica y posterior fundición de metales.
Los metales (Edad de los metales): cobre, bronce, hierro… proceso de
metalurgia más desarrollado (extracción y tratamiento).
Materiales de la energía: petróleo y carbón
Utilizados desde la Antigüedad. El carbón se convirtió en un elemento
estratégico durante la Revolución Industrial. Los usos actuales del carbón son
producción de electricidad y acero, y fabricación de cemento.
El petróleo sustituyó al carbón como principal fuente de energía primaria en la
segunda mitad del siglo XX. Se utiliza en la actualidad para fabricar
combustible, cremas y vaselinas, materia prima de plásticos y asfalto para
carreteras.
Materiales de la digitalización: silicio

12. • Materials closely connected our culture.
• The development and advancement of societies are
dependent on the available materials and their use.
• Early civilizations designated by level of materials
development.
• Initially natural materials.
• Develop techniques to produce materials with
superior qualities (heat treatments and addition of
other substances)
History of Materials Science & Engineering

13. Edad de Piedra
Neolítico
8000 AC
5000 AC
Mesolítico
12 000 AC
8 000 AC
Paleolítico
2.000.000 AC
12 000 AC
Homo
Habilis
Homo
Erectus
Homo
Sapiens
50 000 Años
Homo Sapiens Sapiens
(Hombre Moderno)
Materiales disponibles en la humanidad: madera; huesos; rocas (duro,
frágil)

14. Edad del Hierro
Edad del Bronce
2000 AC
400 AC
Edad del Cobre
4 000 AC
2 000 AC
Homo Sapiens Sapiens
(Hombre Moderno)

15. Utilización tecnológica de los materiales:
• Polímeros naturales – huesos, tendones, pieles,
madera, fibras (?-50000 AC)
• Cerámicas – vasos y urnas de arcillas (20000-
6000 AC); puntas de flechas de sílex (Piedra
labrada o paleolítico y piedra pulida o neolítico:
6000 AC – 2500 AC); pisos y azulejos (2000 AC)
• Metales – láminas, equipos bélicos (Edad del
bronce: 3000-500 AC; Edad del Hierro: 1000 AC –
1000 DC)
• Polímeros sintéticos – cuacho vulcanizado
(1870), baquelita (1895), poliamida (1930),
polipropileno (1954)
•Semiconductores
• Nanotecnología – nanotubos de carbono (1990),
nanocompósitos arcilla-polipropileno (1994)

16. Edad de Piedra

17. Edad del Cobre

18. Edad del Bronce

19. Edad del Hierro

20. Edad del Silicio: Siglo XX
Hologramas: Hatsune Miku
¿Podrás vivir sin él?

21. ¿Quién inventó la ingeniería y
ciencia de los materiales - ICM?
• La ciencia de los materiales
moderna, que está vinculada a un
físico estadounidense llamado
Josian Willard Gibbs (???) del siglo
XIX. Señaló que las propiedades
térmicas resultantes de la
estructura atómica de los
materiales afectan sus
propiedades, lo que fue un paso
muy importante en el estudio
científico de los materiales.
• El primer Departamento de Ciencia
de Materiales se estableció en

22. Materiales
“Sustancias, generalmente sólidas, con propiedades que los
hacen utilizables en productos y dispositivos desarrollados por el
hombre para llenar sus necesidades físicas, sociales, estéticas,
de seguridad y otras” [1]
• generalmente sólidas = criterio de clasificación general
• propiedades = respuesta a un determinado estímulo
• productos y dispositivos = compuestos por materiales
• necesidades = aplicaciones
[1] Informe COSMAT, Nacional Academy of Science, EUA, 1975

23. Ciencia de los Materiales
“Área del saber asociada a la generación y aplicación del
conocimiento fundamental, extraído principalmente – pero no
solamente – de la física, química, matemática y biología, con el
objetivo de crear , desarrollar materiales y comprender sus
propiedades” [1]
• Conocimiento fundamental = explicación a través de las leyes
más básicas de la naturaleza
• física, química, matemática y biología = ciencias básicas
• crear, desarrollar, comprender = no necesariamente llevan a la
generación de productos o dispositivos.

24. Ingeniería y Ciencia de los
Materiales - ICM
“Área del saber / asociada a la generación y aplicación del
conocimiento / relacionado a la composición / a la estructura / y /
al procesamiento / de los materiales con sus propiedades / y /
usos” [1]
• Área del saber = conjunto de conocimientos amplios
Estado del arte
• asociada a la generación y aplicación del conocimiento =
investigación básica inspirada en la aplicación
• relacionado a la composición + estructura +procesamiento +
usos = deben analizarse de forma sistémica (como un todo)

25. Chapter 1 -
Materials Science VS MaterialsEng.
On the basis of structure-property correlations:
•Materials science involves investigating the
relationship btw structures & properties of materials.
•Materials Eng. is designing or engineering the
structure of a material to produce a predetermined set
of properties.

26. Chapter 1 -
Materials Science VS Materials Eng.
On the basis of functional prospective:
•The role of materials scientist is to develop or
synthesize new materials
•Materials Eng. is called upon to create new products
or systems using existing materials, and/or develop
techniques for processing materials.

27. Materials and Civilization
• Materials are integral part of human culture
• In the past: Stone, Bronze and Iron ages
• Role of Engineer: Adapting materials and energy to society’s
needs
• The properties of materials depends on the
internal structure
• To change the performance of materials,
modification of the internal structure is required

28. Materials and Civilization
• Human are able to make things: Objects tools, component
systems
• This require materials to meet these purposes
• Anthropolgists and historians identified the early cultures by
the most significant materials used then, e.g. Stone, the
Bronze. and the Iron Ages of the past
• These days, are not limited to one predominant material. A
lot of sophisticated materials-plastics, silicon, titanium, high-
technology ceramics, optical fibers, and so on
• The age of technology.

29. Materials and Engineering
• Engineer, design products and systems and
monitor their use
• Every product is made of materials and energy
is involved in production and in use.
• This is why all Engineers have to study materials
science during their undergraduate study

30. Por que…. sin materiales no existe la
ingeniería.

31. 31
Definición y clasificación de materiales
Según su procedencia se clasifican en:
• Materiales naturales: Se pueden obtener directamente del medio mediante técnicas
que no implican la transformación de su naturaleza primaria.
• Materiales transformados: sufren algún tipo de elaboración o manufactura previa a
su utilización.
• Materiales sintéticos: son fabricados de forma artificial por el ser humano a través de
procesos químicos industriales.
Las propiedades genéricas a tener en cuenta a la hora de analizar un material
son:
técnicas ópticas sensoriales químicas mecánicas eléctricas
Agrupando algunas de estas propiedades, un material sólido se puede clasificar
como:
Metálico Cerámico
Polímeros (plásticos) Materiales compuestos (composites)
Los materiales son sustancias (elementos o componentes) que nos permiten
fabricar objetos.

32. 32
Materiales con historia
La era del plástico
Los plásticos o polímeros sintéticos son materiales orgánicos constituidos por
largas cadenas de unidades repetidas (monómeros) formadas principalmente
por átomos de carbono e hidrógeno.
La humanidad lo ha utilizado durante milenios en forma de algodón, seda, etc.
En el siglo xx, los químicos lograron imitar estos compuestos obteniendo en el
laboratorio polímeros sintéticos o plásticos a partir de metano, etileno,
propileno, butileno, benceno, tolueno y otros derivados del petróleo.
Propiedad característica: elásticos y fácilmente moldeables, resistencia a la
corrosión y bajo peso amplio uso.
Nuevos plásticos muy prometedores:
• Los bioplásticos: hechos a base de recursos naturales renovables y
generalmente biodegradables.
• Los plásticos conductores de la electricidad: fabricados añadiendo una
delgada lámina de metal al polímero.

33. Procesos de fundición

34. Utilización industrial de la electricidad

35. Conformación mecánica de metales y aleaciones
Forjadura
Laminación
Trefilación

36. Torno Fresa
Rectificadora

37. Revolución industrial

38. Composición: modelos de átomos
Dalton
Rutherford
Bohr

39. Tabla periódica de los elementos químicos

40. Estudios: espectroscopia

41. Rayos X y Difracción de rayos X

42. Microscopia óptica
Microscopia electrónica

43. Innovaciones: metalurgia al vacío
La metalurgia al vacío es el campo de la tecnología de materiales que se
ocupa de fabricar, dar forma o tratar metales en una atmósfera controlada, a
presiones significativamente menores que la presión atmosférica normal. El
propósito es prevenir la contaminación del metal por gases en la
atmósfera. Alternativamente, en algunos procesos, se puede introducir un gas
reactivo en el proceso para que se convierta en parte del producto resultante.

44. Aplicaciones estructurales

45. 45

46. Aplicaciones estructurales

48. Aplicaciones eléctricas

49. Aplicaciones magnéticas

50. Generación de energía

51. Instrumentos quirúrgicos
Odontológicos.

52. Biomateriales

53. Chapter 1 -
Example– HIP IMPLANT
• Requirements
– mechanical strength
(many cycles)
– good lubricity
– biocompatibility
Adapted from Fig. 22.26, Callister 7e.

54. Chapter 1 -
Example – Hip Implant
Adapted from Fig. 22.26, Callister 7e.

55. Chapter 1 -
Hip Implant
• Key problems to overcome
– fixation agent to hold
acetabular cup
– cup lubrication material
– femoral stem – fixing agent
(“glue”)
– must avoid any debris in cup
Femoral
Stem
Ball
Acetabular
Cup and Liner

56. Chapter 1 -
TYPESOFMATERIALS
56
Most engineering materials can be classified into one of
three basic categories:
1. Metals
2. Ceramics
3. Polymers
Their chemistries are different, and their mechanical and
physical properties are different
In addition, there is a fourth category:
4. Composites
-is a nonhomogeneous mixture of the other three types, rather than
a unique category

57. Chapter 1 -
1
1
Source: Fundamentals of Modern
Manufacturing materials: processes and
systems, M.P. Groover, 5th edition, John
Wiley & Sons Inc. (2007).
TYPESOF MATERIALS (con’t)

58. Chapter 1 -
METALS
Fig 1.8 Familiar objects that are made of metals and metal alloys
Metallic bonds
– Strong, ductile, resistant to fracture
– High thermal & electrical conductivity
– Opaque, reflective.

59. Chapter 1 -
CERAMICS
13
Fig 1.8 Familiar objects that are made of ceramic materials
Ionic bonding
–Brittle, glassy, elastic
–Non-conducting (insulative to the passage of heat & electricity)
–Transparent, translucent, or opaque
–Some exhibit magnetic behavior (e.g. Fe3O4)

60. Chapter 1 -
POLYMERS/PLASTICS
Familiar objects that are made of polymeric materials
Covalent bonding  sharing of e’s
–Soft, ductile, low strength, low density
–Thermal & electrical insulators
–Optically translucent or transparent.
–Chemically inert and unreactive
–Sensitive to temperature changes

61. Chapter 1 -
COMPOSITES
61
– Light, strong, flexible
– High costs

62. Chapter 1 -
ADVANCEDMATERIALS
62
Materials that are utilized in high-tech applications
•Semiconductors
Have electrical conductivities intermediate between conductors
and insulators
•Biomaterials
Must be compatible with body tissues
•Smart materials
Could sense and respond to changes in their environments in
predetermined manners
•Nanomaterials
Have structural features on the order of a nanometer, some of
which may be designed on the atomic/molecular level

63. Six Major Classes of Materials
• Some of these have descriptive subclasses.
• Classes have overlap, so some materials fit into more than one class.
• Metals
• Iron and Steel
• Alloys and Superalloys (e.g. aerospace applications)
• Intermetallic Compounds (high-T structural materials)
• Ceramics
• Structural Ceramics (high-temperature load bearing)
• Refractories (corrosion-resistant, insulating)
• Whitewares (e.g. porcelains)
• Glass
• Electrical Ceramics (capacitors, insulators, transducers, etc.)
• Chemically Bonded Ceramics (e.g. cement and concrete)

64. Six Major Classes of Materials
• Polymers
• Plastics
• Liquid crystals
• Adhesives
• Electronic Materials
• Silicon and Germanium
• III-V Compounds (e.g. GaAs)
• Photonic materials (solid-state lasers, LEDs)
• Composites
• Particulate composites (small particles embedded in a different material)
• Laminate composites (golf club shafts, tennis rackets, Damaskus swords)
• Fiber reinforced composites (e.g. fiberglass)
• Biomaterials (really using previous 5, but bio-mimetic)
• Man-made proteins (cytoskeletal protein rods or “artificial bacterium”)
• Biosensors (Au-nanoparticles stabilized by encoded DNA for anthrax detection)
• Drug-delivery colloids (polymer based)

65. Properties of Materials
• An alternative to major classes, you may divide materials into
classification according to properties.
• One goal of materials engineering is to select materials with suitable
properties for a given application, so it’s a sensible approach.
• Just as for classes of materials, there is some overlap among the
properties, so the divisions are not always clearly defined
Mechanical properties
A. Elasticity and stiffness (recoverable stress vs. strain)
B. Plasticity (non-recoverable stress vs. strain)
C. Strength
D. Brittleness or Toughness
E. Fatigue

66. Properties of Materials
Electrical properties
A. Electrical conductivity and resistivity
Dielectric properties
A. Polarizability
B. Capacitance
C. Ferroelectric properties
D. Piezoelectric properties
E. Pyroelectric properties
Magnetic properties
A. Paramagnetic properties
B. Diamagnetic properties
C. Ferromagnetic properties

67. Properties of Materials
Optical properties
A. Refractive index
B. Absorption, reflection, and transmission
C. Birefringence (double refraction)
Corrosion properties
Deteriorative properties
Biological properties
A. Toxicity
B. bio-compatibility

68. Nuevos materiales
para nuevas necesidades
Proyecciones

69. Los materiales del siglo XXI
Materiales de las nuevas tecnologías
Extracción costosa y compleja que, a menudo, causa problemas al medio
ambiente:
Materiales en camino
El grafeno y el siliceno pueden llegar a tener interesantes aplicaciones en la
industria fotovoltaica, para la fabricación de baterías, en la industria
aeronáutica, en electrónica, etc. y son menos contaminantes.
Aluminio
• Resiste a la
corrosión y es ligero.
• Se utiliza para la
fabricación de latas
de conservas,
ventanas, vehículos,
bicicletas, etc.
Silicio
• Salvo que sea
sometido a
determinadas
condiciones de
calor, luz o carga
eléctrica, es
semiconductor (no
conduce la
electricidad).
• Se utiliza para los
componentes
electrónicos (LEDs,
memorias, etc.).
Coltán
• Resistencia a la
corrosión y la
capacidad de
soportar altísimas
temperaturas
(ultrarrefractarios).
• Sus dos minerales
(columbita y
tantalita) contienen
elementos
imprescindibles para
el desarrollo de los
modernos
dispositivos
electrónicos .
Litio
• El más ligero de los
materiales.
• Se utiliza para las
baterías recargables
de los móviles, los
ordenadores
portátiles y también
de los coches
eléctricos.

70. El ciclo de los materiales
Los materiales actuales dependen de los recursos naturales existentes en
nuestro planeta y deben ser sometidos a un proceso de transformación.
actividad altamente impactante:
costos económicos
repercusión negativa para el medio ambiente
El denominado Análisis del Ciclo de Vida (ACV) estudia el impacto de un
material o producto sobre el medio ambiente desde que se obtienen las
materias primas hasta el momento en que se desecha. Por eso también se
conoce como análisis «de la cuna a la tumba».
El ciclo de un material puede acabar de varias maneras:
• Desecho y acumulación en vertederos.
• Biodegradación que le permite regresar al ciclo natural.
• Reciclaje y reutilización para formar parte de un nuevo ciclo productivo.

72. El ciclo de los materiales
Extracción
Transformación
Consumo
Repercusión
Localización
Ventajas:
• Desarrollo económico e
industrial de la sociedad
• Beneficios para la vida y el
desarrollo de la humanidad
• …
Inconvenientes:
• Agotamiento de los
recursos
• Gasto desmedido de una
sociedad de consumo
• Aumento de los residuos
• …
IMPORTANTE:
USO Y CONSUMO
RESPONSABLE

75. Los materiales que vienen
Desafíos de cara al futuro:
Minimizar los costos medioambientales, sociales y económicos de los
materiales que utilizamos.
Los materiales inteligentes, también llamados activos, son aquellos capaces
de reaccionar a los estímulos externos físicos o químicos, de forma reversible y
controlable, modificando sus propiedades.
Innovación
• Fabricar materiales más ligeros.
• Reducir los costos de fabricación.
• Eliminar los componentes
contaminantes o tóxicos.
• Utilizar materiales
biodegradables.
• Facilitar tanto el reciclaje como la
reutilización.
• Optimizar los diferentes procesos
de fabricación.
• Disminuir el gasto en materia
prima.
Retos
• Conseguir fuentes de energía
sostenibles, inagotables y baratas.
• Conocer, manipular y controlar la
materia en su escala más
pequeña.
• Conseguir materiales que se
adapten a diferentes condiciones
externas.

76. Propriedades
Aplicação
Processamento
Microestrutura
Propiedades
Aplicación
Procesamiento
Microestructura
• Processing
• Structure
• Properties
• Performance
Materials Science & Engineering in a Nutshell
Materials Engineering
Designing the structure to achieve
specific properties of materials.
Materials Science
Investigating the relationship between
structure and properties of materials.

77. Chapter 1 -
1. Pick Application Determine required Properties
Processing: changes structure and overall shape
ex: casting, sintering, vapor deposition, doping
forming, joining, annealing.
Properties: mechanical, electrical, thermal,
magnetic, optical, deteriorative.
Material: structure, composition.
2. Properties Identify candidate Material(s)
3. Material Identify required Processing
The Materials Selection Process

78. Chapter 1 -
22
STRUCTURE,PROCESSING, &
PROPERTIES
• One aspect of Materials Science is the investigation
of relationships that exist between the processing,
structures, properties, and performance of
materials.
• The performance of a material depends on its
properties
• Properties depend on structure ex: hardness vs
structure of steel
• Processing can change structure
Ex: structure vs cooling rate of steel
Fig 1.1 The four components of the discipline of materials science and engineering and their
interrelationship

79. Chapter 1 -
23
STRUCTUREOFMATERIALS
• By structure we mean how some internal
components of the material is (are)
arranged.
• In terms of dimensionality, structural
elements include subatomic, atomic,
microscopic, and macroscopic

80. 80

81. Microestructura

82. Evolución

83. Summary
• Materials Science and Engineering has expanded greatly in
recent years and will continue to do so, most likely at an even
faster pace.
• Various studies show that MSE is crucial to the quality of life, to
the the national defense, and to the economic security and
competitiveness of the nation.
• The broadening of MSE educational and research activities
requires an integrated and well-balanced science and
engineering education that covers all materials.
• MSE departments are challenged by lack of visibility, cohesion,
small enrollment, shrinking faculty, consolidation, and reduced
research in the core areas.
• Lack of a unified professional representation makes it more
difficult to address issues necessary to sustain the education and
training in this crucial discipline.