A menudo el hierro se recubre con una delgada capa de zinc cuando se va a utilizar en el exterior. ¿Qué características le da el zinc a este metal recubierto, es decir galvanizado? ¿Qué precauciones deberán tomarse en consideración en la fabricación de este producto? ¿Cómo se afectará la capacidad de reciclaje del producto? El zinc proporciona resistencia a la corrosión de la plancha de dos maneras. Si el hierro está completamente recubierto con zinc, el zinc proporciona una barrera entre el hierro y el entorno circundante, por lo tanto, protege la plancha de hierro del ambiente. Si el recubrimiento de zinc se retira para exponer el hierro, el zinc continúa protegiendo la plancha debido a que el cinc se corroe preferentemente a la plancha. Para ser específico, el zinc debe adherirse bien al hierro de modo que no permita que se produzcan reacciones en la interfaces con el hierro y el cinc de manera que se mantenga intacta durante cualquier formación del material galvanizado. Cuando se recicla el material, el cinc se perderá por la oxidación y la vaporización, a menudo produciendo un "polvo de zinc" que pueda representar un peligro ambiental. Un equipo especial puede ser necesario para recoger y reciclar el polvo de zinc. 1.
Se desea producir una cabina transparente para una aeronave. Si se utilizara una cabina cerámica (vidrio de ventana tradicional), las piedras o los pájaros pudieran romperla. Diseñe un material que minimice daños o por lo menos impida que la cabina se rompa en pedazos.
Podría usarse un material polimérico transparente "vidrioso" tal como el policarbonato. Algunos polímeros presentan razonablemente buenas propiedades de impacto y pueden resistir el al rompimiento de la cabina. Los polímeros también pueden ser endurecidos para resistir el impacto mediante la introducción de pequeños glóbulos de caucho o elastómero, en el polímero; estos glóbulos mejoraran la capacidad de absorción de energía del material compuesto de polímeros, que es demasiado pequeño como para interferir con las propiedades ópticas del material. 2.
Los resortes en espiral deben ser muy resistentes y rígidos. El Si3N4 es un material resistente y rígido. ¿Se podría seleccionar este material para un resorte? Explique.
Los resortes están destinados a resistir las fuerzas elásticas elevadas, donde se estiran sólo los enlaces atómicos cuando se aplica una fuerza. El nitruro de silicio cumple con este requisito. Sin embargo, nos gustaría también tener una buena resistencia al impacto y al menos la ductilidad (en caso de que el resorte se sobrecargue) para asegurar que el resorte no fallará catastróficamente. Los materiales cerámicos tales como nitruro de silicio no tienen prácticamente ninguna ductilidad, malas propiedades de impacto, y, a menudo son difíciles de fabricar y sin introducir algunos pequeños defectos que causan al fracaso incluso para fuerzas relativamente bajas. No se recomienda el nitruro de silicio.
4.
A veces se fabrican indicadores de temperatura a partir de una tira de metal en espiral, la cual se dilata una distancia específica cuando se incrementa la temperatura. ¿Cómo funciona el indicador?; ¿de qué tipo de material se fabricaría el indicador?; y ¿cuales son las propiedades importantes que debe poseer el material del indicador? Materiales bimetálicos son producidos por uniendo dos materiales con diferentes coeficientes de dilatación térmica entre sí, formando un compuesto laminar. Cuando los cambios de temperatura, uno de los materiales se expanden o se contraen más que los otros materiales. Esta diferencia en la expansión o contracción hace que el material bimetálico de cambiar de forma, si la forma original es el de una bobina, entonces el dispositivo bobina o desenrollar, dependiendo de la dirección del cambio de temperatura. Para que el material para llevar a cabo bien, los dos materiales debe tener muy diferentes coeficientes de expansión térmica y debe tener alto módulo de elasticidad suficiente para que ninguna deformación permanente del material se produce.
5.
Para el diseño de una aeronave que pueda volar sin detenerse una distancia de 30 kilómetros, mediante energía humana ¿qué tipo de propiedades de materiales son recomendables? ¿Qué materiales podrían ser apropiados?
Tales aeronaves deberán disponer de suficiente fuerza y rigidez para resistir su propio peso, el peso de la fuente humana "poder", y todas las fuerzas aerodinámicas que se le impuso. Por otra parte, debe ser lo más ligero posible para asegurar que el ser humano puede generar trabajo suficiente para operar la aeronave. Los materiales compuestos, especialmente los basados en una matriz de polímero, podría comprender la mayor parte de la aeronave. Los polímeros tienen un peso ligero (con densidades de menos de la mitad que la de aluminio) y pueden reforzarse mediante la introducción de fibras fuertes y rígidos de vidrio, de carbono, o de otros polímeros. Composites con la resistencia y rigidez
6.
Se colocará en órbita un microsatélite de tres pies de diámetro. El satélite contendrá equipo electrónico delicado, que enviar y recibir señales de radio de la Tierra. Diseñe la carcasa exterior dentro de la cual quedará alojado el equipo electrónico. ¿Qué propiedades se requerirán y qué materiales pudieran ser considerados? La cáscara del microsatélite debe satisfacer varios criterios. El material deberá tener una densidad baja, lo que minimiza el peso de satélite, de modo que se puede levantar económicamente a su órbita, el material debe ser fuerte, duro y resistente al impacto, a fin de asegurar que cualquier "polvo espacial" que pudieran afectar el satélite se no penetrar y dañar los equipos electrónicos, el material debe ser transparente para las señales de radio que permiten la comunicación entre el satélite y de la tierra y el material deberá proporcionar algunos de aislamiento térmico para asegurar que el calentamiento solar no dañar los componentes electrónicos. Un enfoque podría ser el uso de una capa compuesta de varios materiales. La superficie exterior puede ser una muy delgada capa de metal reflectante que ayudaría a reflejar el calor solar. El cuerpo principal de la shell podría ser una fibra de peso ligero compuesto reforzado que ofrezca resistencia al impacto (impidiendo la penetración de partículas de polvo), pero sería transparente a las señales de radio.
7.
¿Qué propiedades debe tener la cabeza del martillo de carpintero? ¿Cómo se fabricaría la cabeza de la herramienta? La cabeza de un martillo dese estar hecha de un material resistente al impacto, duro y pesado para que el golpe tenga mayor fuerza, es ligeramente curveada por un lado y posee porosidades para evitar que el martillo se resbale al momento de clavar, y por el otro, tiene una ranura, para sacar los clavos. Principalmente, se utilizan metales y polímeros de alta dureza para realizar las cabezas de los martillos. Entre los que destaca el acero. La fabricar la cabeza se comienza con una barra de acero que es fundida en un horno de inducción a más de 1000 0C, para que el acero sea maleable. Con fuertes golpes el acero es forjado de la forma de la cabeza del martillo y se lo deja enfriar. Posteriormente se procede a pulirlo para retirar cualquier porosidad que tenga en su exterior. Nuevamente se lo calienta y se lo enfría rápidamente para asegurar su dureza, esto se conoce como proceso de templado y por último se le coloca el mango deseado. 8.
El casco de un transbordador espacial está formado por tejas cerámicas adheridas a un recubrimiento de aluminio. Analice los requerimientos de diseño de dicho casco que llevaron a utilizar esta combinación de materiales. ¿Qué problemas para la producción del casco tuvieron que encarar diseñadores y fabricantes?
El casco debe construirse de un material resistente a los grandes cambios de temperatura, al impacto mecánico y a la corrosión que se producen a la entrada y salida de la atmósfera. Además de un bajo peso que conlleva un menor consumo de combustible en el despegue y menor atracción gravitatoria en el aterrizaje. Lo que indica que debe usarse un composite, pero también hay que tener en cuenta que el material debe ser de bajo costo pues el casco es de gran superficie, de forma que se rechaza este material en favor de la combinación de materiales. Al no poder usar el composite sería lógico elegir un material cerámico, ya que es el siguiente material más adecuado de acuerdo con los requerimientos, pero estos son poco dúctiles (moldeables) y frágiles, de ahí que se construyan tejas y se soporten sobre un armazón de aluminio que es un metal resistente y poco pesado.
9.
Se debe seleccionar un material para los contactos eléctricos de un conmutador eléctrico que frecuentemente se abre y se cierra con fuerza. ¿Qué propiedades deberá poseer el material del contacto? ¿Qué tipo de material recomendaría? ¿Sería una buena selección la alúmina, Al2O3? Explique.
El material que se emplea para los contactos eléctricos, debe tener propiedades como: elevada conductividad térmica y eléctrica, baja resistencia superficial, resistencia a soldarse, resistencia mecánica, resistencia al arco, alto punto de fusión y tiene que ser de bajo costo para que se lo pueda emplear en la fabricación. Por las propiedades mencionadas, se trata de un material con propiedades metálicas, puede ser el oro o la plata pero su alto costo ha hecho que el material más utilizado para la electricidad sea el cobre o el aluminio. Sin embargo no se puede emplear la alúmina, pues actúa como material cerámico, que sirve de aislante térmico y eléctrico. 10. El aluminio tiene una densidad de 2.7 g /cm3. Suponga que se desea producir un material compuesto basado en aluminio con una densidad de 1.5 g /cm3. Diseñe un material que tenga esa densidad. ¿Pudiera ser una posibilidad introducir esferas de polietileno de una densidad de 0.95 g/cm3 dentro del aluminio? Explique. Para producir un material compuesto basado en aluminio con una densidad de 1,5 g/cm3, se tendría que seleccionar un material que tenga una densidad considerablemente menor que 1,5 g/cm3. Mientras que el polietileno tiene un punto de fusión muy bajo en comparación con el aluminio, lo que haría muy difícil introducir el polietileno en una matriz sólida de aluminio, los procesos tales como la fundición o metalurgia de polvos destruiría el polietileno. Por lo tanto el polietileno no sería una posibilidad probable. Un enfoque, sin embargo, podría ser la introducción de cuentas de vidrio huecas. Aunque los vidrios de cerámica tienen densidades comparables a la de aluminio, un cordón hueco tendrá una densidad muy baja. El vidrio también tiene una temperatura de fusión alto y podría ser introducido en el líquido de aluminio como para el procesamiento de una pieza de fundición. 11. Calcule el radio atómico en cm para lo siguiente: (a) Metal CC con ao = 0.3294 nm y con un átomo por punto de red. (b) Metal CCC con ao = 4.0862 A y con un átomo por punto de red. a) Para el metal BCC: √
√
b) Para el metal FCC: √
√
12 Determine la estructura cristalina de lo siguiente: (a) Un metal con ao = 4.9489 A, r = 1.75 A y un átomo por punto de red. (b) Un metal con ao = 0.42906 nm, r = 0.1858 nm y un átomo por punto de red. Queremos determinar si "x" en los cálculos siguientes es igual a √ (para FCC) o √ (para BCC):
√
√
13.- La densidad del potasio, que tiene una estructura CC y un átomo por punto de red es 0.855 g/cm3. El peso atómico del potasio es 39.09 g/mol. Calcule a) El parámetro de red b) El radio atómico del potasio. ρ Ma= 39.09 g/mol
=
0.855
g/cm3
a) Parámetro de red: P=
√
P= √ P=5.343954092X10^(-8) cm b) 2.314x10-8
Radio
atómico: cm
Conclusión El radio atómico se obtuvo del libro Askeland en el punto apéndice A y así se pudo sacar el parámetro de red. 14. La densidad del torio, que tiene una estructura CCC y un átomo por punto de red es de 11.72 g/cm3.El peso atómico del torio es de 232 g/mol. Calcule: a) el parámetro de red b) el radio atómico del torio. ρ = 11.72 g/cm3 Ma= 232 g/mol Parámetro de red: P= √
P= √ P=55.08551197x10^(-8) cm Radio atómico: 1.798x10-8 cm (por apéndice A) Conclusión Se realizó la misma acción del problema anterior, utilizando el radio atómico sacado del libro Askeland. 15. Un metal con una estructura cúbica tiene una densidad de 2.6 g/cm3, un peso atómico de 87.62 g/ mol y un parámetro de red de 6.0849 A. Un átomo está asociado con cada uno de los puntos de la red. Determine la estructura cristalina del metal. ρ = 2.6 g/cm3 Ma= 8.762 g/mol A0= 6.0849 Å = 6.0849x10-8 Na= 6.023x1023 atm/mol Formula: #A= #A= #A = 4.02 atm/celda Conclusión En esta ocasión utilizamos la fórmula de densidad, la estructura cristalina de este metal es FCC.
16.Un metal con una estructura cúbica tiene una densidad de 1.892 g/cm3, un peso atómico de 132.91 g/mol y un parámetro de red de 6.13 A. Un átomo está asociado con cada punto de la red. Determine la estructura cristalina del metal.
El indio tiene una estructura tetragonal, con a0 = 0.32517 nm y CO = 0.49459 nm. La densidad es 7.286 g/cm3 y el peso atómico es de 114.82 g/mol. ¿Tiene el indio una estructura tetragonal simple o una estructura tetragonal centrada en el cuerpo?
El bismuto tiene una estructura hexagonal, con a0 = 0.4546 nm y CO = 1.186 nm. La densidad es 9.808 g/cm3 y el peso atómico es de 208.98 g/mol. Determine: (a) el volumen de la celda unitaria
(b) cuántos átomos existen en cada celda unitaria.
19 .El Galio tiene una estructura ortorrómbica con ao = 0.45258 nm, bo = 0.45186 nm y co = 0.76570 nm. El radio atómico es 0.1218 nm. La densidad es 5.904 g/cm3 y el peso atómico es de 69.72 g/mol. Determina: a) El numero de átomos en cada celda unitaria ao = 0.45258 nm
V= (ao) (bo) (co)
bo = 0.45186 nm
V= .1589m3
co = 0.76570 nm
El factor de empaquetamiento de cada celda unitaria. FEA= FEA=
0.1428
20.El berilio tiene una estructura cristalina hexagonal, con ao = 0.22858 nm y co = 0.35842 nm. El radio atómico es de 0.1143 nm. La densidad es de 1.848 g/cm3 y el peso atómico es de 9.01 g/mol. Determine: (a) el número de átomos en cada celda unitaria y (b) el factor de empaquetamiento de la celda unitaria. V=(0.22858nm)2X(0.35842nm)Xcos30°=0.01622 nm 3= 16.22X10-24cm3 a. El número de átomos en la celda unitaria 1.848gcm3=XatomosceldaX (9.01gramosmol)16.22X10-24cm 3X(6.023X1023atomosmol) X= 2atomos/celda b. El factor de empaquetamiento de la celda unitaria FEA=2atomosceldaX4π3X (0.1143nm) 30.01622nm3=0.77 21. Cuáles son los índices Miller de las direcciones de deslizamiento (a) en el plano (111) de una celda unitaria CCC? (b) en el plano (011) de una celda unitaria CC 22. ¿Cuáles son los índices Miller de los planos de deslizamiento en celdas unitarias CCC que contienen la dirección de deslizamiento [101]? 23. ¿Cuáles son los índices Miller de los planos de deslizamiento (110) en celdas unitarias CC que incluyen la dirección de deslizamiento [111]? 24. Calcule la longitud del vector de Burgers de los materiales siguientes: (a) Niobio CC Radio atomico de Nb: 1.46
√ √
√ √
(b) Plata CCC. Radio atomico de Ag: 1.44
√ √
√ √
(c) Silicio cúbico de estructura tipo diamante 25.Determine el espaciamiento interplanar y la longitud del vector de Burgers para el deslizamiento en los sistemas de deslizamiento esperados en el aluminio CCC. Repita, suponiendo que el sistema de deslizamiento es un plano (110) y una dirección 11111. ¿Cuál es la razón entre los esfuerzos cortantes requeridos para el deslizamiento en estos dos sistemas? Suponga que k = 2 en la ecuación 1.
Solución [
] ( ) (√ )(
)
√ [
]
: (√ )(
√
)
26.Determine el espaciamiento interplanar y la longi-tud del vector de Burgers para el deslizamiento en el sistema de deslizamiento (110)/[111] en el tantalio CC. Repita, suponiendo que el sistema de deslizamiento es un sistema (111)/[110]. ¿Cuál es la razón entre los esfuerzos cortantes requeridos para el deslizamiento en ambos sistemas? Suponga que k = 2 en la ecuación 1. Solución. a)
[ ̅ ]
( ) (√ )(
)
√ b)
[ ̅ ]
: (√ )(
)
√ c)
27¿Cuántos gramos de aluminio, con una densidad de dislocaciones de 1010 cm/cm3, se requieren para dar una longitud total de dislocaciones que llegue desde Nueva York hasta Los Ángeles (3000 millas)? (
)(
)(
)