¿Qué es la Ciencia e Ingeniería de Materiales? M ateriales? 1-1 Defina ciencia e ingeniería de materiales.
Ciencia de materiales. Una disciplina científica íntimamente relacionada con la investigación, que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales. Ingeniería de materiales. Una disciplina de ingeniería que que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamentales y aplicado, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica.
1-2 Define los siguientes términos:
a) Composición: Formación de un todo o un conjunto unificado uniendo con b)
c) d)
e)
cierto orden una serie de elementos. Estructura: Una Estructura es una configuración de los elementos que conforman un todo . Cada componente de una estructura tiene una función y forma que complementa a la que le sigue y le antecede. Estructura es un término abstracto, orientado a la aplicación en cualquier campo cualquier campo en el que la organización es un recurso elemental para el buen funcionamiento del todo. Síntesis: Cosa compleja que resulta de reunir distintos elementos que estaban dispersos o separados organizándolos y relacionándolos Procesamiento: indica el modo en que conforman los materiales en componentes útiles y para causar cambios en las propiedades de distintos materiales. Microestructura: La microestructura de un material refleja las propiedades del material. Se caracteriza por el número de fases, su proporción y su distribución dentro del sistema. Depende del número de componentes, de la concentración de cada uno de ellos, de los defectos, de la historia del material, etc.
1-3 Explique la diferencia entre los términos ciencia de materiales e ingeniería ingeniería de materiales.
La ciencia de los materiales es la encargada de investigar la relación entre la estructura y las propiedades físicas macroscópicas de los materiales para su aplicación en varias áreas de la ciencia, mientras que la ingeniería se encarga de
tomar toda esta fundamentación de la relación de la estructura y las propiedades que investiga la ciencia de los materiales y diseña y proyecta la estructura de un material específico o varios, para poder trabajar con sus propiedades y manejarlo a su necesidad. Con esta información la ingeniería de la ciencia ayuda a que estos materiales sean utilizados en obras civiles, maquinas, equipos, herramientas o transformarlo en productos para nuestro uso. Gracias al estudio de esta ciencia se ha llegado progresos en el conocimiento y desarrollo de los materiales en los últimos años, pero los avances constantes en las diversas áreas obligan a que se sigan innovando en la calidad y manejabilidad de los diversos materiales que se utilizan para cualquier obra, maquinaria o herramienta que se utiliza en la actualidad. 1-4 Señale un descubrimiento revolucionario. El Grafeno
El grafeno es un nuevo material derivado del grafito e impulsa una revolución industrial en virtud de sus propiedades únicas: es impermeable, traslúcido, maleable, más resistente y por ahora más caro que el diamante y el mejor conductor de electricidad hasta ahora conocido. Y esta verdadera revolución científica que impactará de lleno en nuestra vida cotidiana ocurre como las cosas importantes, en voz baja y sin estridencias. El Nobel de Física de 2010 fue para Andre Geim y Konstantin Novoselov, descubridores del grafeno. En 2004, Geim y Novoselov le dijeron al mundo a través de la prestigiosa revista Science: "Descubrimos partículas de grafito mono cristalinos, con pocos átomos de espesura, pero estables en condiciones ambientes y de notable alta calidad". Propiedades del Grafeno: El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy liviano: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Es 40 veces más fuerte que el acero, traslúcido y flexible. Más resistente que todo lo conocido hasta ahora y el mejor conductor eléctrico. Es el único material conocido que puede combinar todas esas características simultáneamente. 1-5 El acero se recubre con frecuencia con una capa delgada de zinc, cuando se va a usar en la intemperie. ¿Qué características cree que aporta el zinc a ese acero recubierto o galvanizado?
El zinc proporciona resistencia a la corrosión al hierro 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 el hierro subyacente. Si el recubrimiento de zinc está rayado para exponer el hierro, el zinc continúa protegiendo el hierro porque el zinc se corroe de manera preferencial al hierro. Para que sea efectivo, el zinc debe unirse bien al hierro, de modo que no permita que se produzcan reacciones en la interfaz con el hierro y que el zinc permanezca intacto durante la formación del material galvanizado. Cuando se recicla el material, el zinc se perderá por oxidación y vaporización, produciendo a menudo un "polvo de zinc" que puede representar un peligro par a el medio ambiente. Es posible que se requiera un equipo especial para recolectar y reciclar o eliminar el polvo de zinc.
1-6 Nos gustaría producir un dosel transparente para un avión. Si tuviéramos que usar un dosel de cerámica (es decir, vidrio de ventana tradicional), las rocas o los pájaros podrían hacer que se rompa. Diseñe un material que minimice el daño o al menos evite que el dosel se rompa en pedazos.
Podríamos emparedar una delgada lámina de un polímero transparente entre dos capas del vidrio. Este enfoque, utilizado para parabrisas de automóviles, evitará que el vidrio "de seguridad" se desintegre por completo cuando falla, con el polímero sosteniendo los pedazos de vidrio juntos hasta que el toldo pueda ser reemplazado. Otro enfoque podría ser utilizar un material polimérico transparente y "vidrioso" como el policarbonato. Algunos polímeros tienen propiedades de impacto razonablemente buenas y pueden resistir la falla. Los polímeros también pueden mejorarse para resistir el impacto introduciendo pequeños glóbulos de un caucho o elastómero en el polímero; estos glóbulos mejoran la capacidad de absorción de energía del polímero compuesto, a la vez que son demasiado pequeños para interferir con las propiedades ópticas del material.
1-7 Los resortes helicoidales deben ser muy resistentes y rígidos. El Si3N4 es un material resistente y rígido. ¿Seleccionaría usted este material para un resorte? Explique por qué.
Los resortes están destinados a resistir altas fuerzas elásticas, donde solo los enlaces atómicos se estiran cuando se aplica la fuerza. El nitruro de silicio satisfaría este requisito. Sin embargo, nos gustaría también tener una buena resistencia al impacto y al menos algo de ductilidad (en caso de que el resorte esté sobrecargado) para asegurar que los resortes no fallen catastróficamente. También nos gustaría estar seguros de que todos los resortes funcionarán satisfactoriamente. Los materiales cerámicos tales como el nitruro de silicio prácticamente no tienen ductilidad, tienen malas propiedades de impacto, y con frecuencia son difíciles de fabricar sin introducir al menos algunos
pequeños defectos que provocan fallas incluso para fuerzas relativamente bajas. El nitruro de silicio no es recomendado.
1-8 A veces se fabrican indicadores de temperatura con una banda metálica enrollada, que se desenrolla determinada cantidad cuando aumenta la temperatura. ¿Cómo funciona, de qué clase de material se debería hacer el indicador y cuáles son las propiedades importantes que debe tener?
Los materiales bimetálicos se producen uniendo dos materiales que tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Cuando la temperatura cambia, uno de los materiales se expandirá o contraerá más que otro material. Esta diferencia en la expansión o contracción hace que el material bimetálico cambie de forma; si la forma original es la de la bobina, los dispositivos se enrollarán o desenrollarán. Dependiendo de la dirección del cambio de temperatura. Para que el material funcione bien, los dos materiales deben tener coeficientes de expansión térmica muy diferentes y deben tener un módulo de elasticidad lo suficientemente alto para que no se produzca una deformación permanente del material.
1-9 Usted quiere diseñar un avión que pueda volar con la energía de un hombre, una distancia de 30km sin escalas. ¿Qué clase de propiedades recomendaría para los materiales? ¿Cuáles serían los materiales adecuados?
Tal avión debe poseer suficiente fuerza y rigidez para resistir su propio peso, el peso de la "fuente de poder" humana y cualquier fuerza aerodinámica que se le imponga. Por otro lado, debe ser lo más ligero posible para garantizar que el ser humano pueda generar suficiente trabajo para operar el avión. Los materiales compuestos, particularmente aquellos basados en una matriz polimérica, pueden comprender la mayor parte de la armadura. Los polímeros tienen un peso ligero (con densidades de menos de la mitad que el aluminio) y se pueden reforzar mediante la introducción de fibras fuertes y rígidas hechas de vidrio, carbono u otros polímeros. Los compuestos que tienen la resistencia y la rigidez del acero, pero con solo una fracción del peso, se pueden producir de esta manera. 1-10 Le gustaría poner en órbita un microsatélite de 90 cm. El satélite tendrá equipos eléctricos delicados que mandarán y recibirán señales de r adio desde y hacia la tierra. Diseñe la coraza externa (contenedor) dentro del que se colocará el equipo electrónico. ¿Qué propiedades se necesitarán y qué clase de materiales podrían tenerse en cuenta?
El caparazón del microsatélite debe cumplir varios criterios. El material debe tener una baja densidad, minimizando el peso del satélite para que pueda ser elevado económicamente en su órbita; el material debe ser fuerte, duro y resistente a los impactos para asegurar que cualquier "polvo espacial" que pueda golpear al satélite
no penetre y dañe el equipo electrónico; el material debe ser transparente para las señales de radio que proporcionan comunicación entre el satélite y la tierra; y el material debe proporcionar cierto aislamiento térmico para garantizar que el calentamiento solar no dañe los componentes electrónicos. Un enfoque podría ser usar una capa compuesta de varios materiales. La superficie exterior podría ser un revestimiento de metal reflectante muy delgado que ayudaría a reflejar el calor solar. El cuerpo principal del caparazón podría ser un compuesto ligero reforzado con fibra que proporcionaría resistencia al impacto (evitando la penetración de partículas de polvo) pero que sería transparente a las señales de radio.
1-11 ¿Qué propiedades debe poseer la cabeza de un martillo de carpintero? ¿Cómo fabricaría dicha cabeza?
La cabeza de un martillo de carpintero se produce por forjado, un proceso de trabajo de metales; una forma simple de acero se calienta y se forma en varios pasos mientras se calienta en la forma requerida. La cabeza luego se trata para producir las propiedades mecánicas y físicas requeridas. La cara llamativa y las garras del martillo deben ser duras: el metal no debe abollarse ni deformarse al conducir o quitar clavos. Sin embargo, estas partes también deben poseer cierta resistencia al impacto, particularidad para que las virutas no se desprendan de la cara de golpeo y causen lesiones.
1-12 El casco de un transbordador espacial consta de losetas de cerámico pegadas a una cubierta de aluminio. Describa los requisitos de diseño del casco que determinaron el uso de esta combinación de materiales. ¿Qué problemas habrán afrontado los diseñadores y fabricantes para producir ese casco?
El transbordador espacial experimenta temperaturas extremas durante el reintentos a la atmósfera terrestre; en consecuencia, se debe utilizar un sistema de protección térmica para evitar daños a la estructura del transbordador (¡sin mencionar su contenido!). Por lo tanto, la piel debe estar compuesta de un material que tenga una conductividad térmica excepcionalmente baja. El material debe poder sujetarse firmemente a los revestimientos del transbordador y repararse fácilm ente cuando se produce un daño. Las baldosas utilizadas en el transbordador espacial están compuestas de fibras de sílice unidas para producir una cerámica de muy baja densidad. La conductividad térmica es tan baja que una persona puede agarrarse a un lado de la baldosa mientras que la superficie opuesta está al rojo vivo. Las baldosas están unidas a la
piel de la lanzadera mediante un polímero gomoso que ayuda a garantizar que las fuerzas no rompan la baldosa suelta, lo que expone la piel subyacente a altas temperaturas.
1-13- Usted desea seleccionar un material para los contactos electricos de un dispositivo conmutador electric que abre y Cierra con frecuencia y con fuerza. ¿Que propiedades debe poseer el material de los contactos? ¿Que clase de material recomendaria?¿Seria Bueno usar Al 2O3? Explique por qué.
El material debe tener una alta conductividad eléctrica para garantizar que no se produzca calentamiento o arcos eléctricos cuando el interruptor está cerrado. Los metales de alta pureza (y por lo tanto muy suaves) como el cobre, aluminio, plata u oro proporcionan la alta conductividad. Sin embargo, el dispositivo también debe tener buena resistencia al desgaste, lo que requiere que el material sea duro. La mayoría de los materiales duros y resistentes al desgaste tienen mala conductividad eléctrica. Una solución a este problema es producir un material compuesto particulado compuesto por partículas cerámicas duras incrustadas en una matriz continua del conductor eléctrico. Por ejemplo, las partículas de carburo de silicio podrían introducirse en aluminio puro; las partículas de carburo de silicio proporcionan resistencia al desgaste, mientras que el aluminio proporciona conductividad. Otros ejemplos de estos materiales se describen en el Capítulo 16. Al, 0, por sí mismo no sería una buena opción: la alúmina es un material cerámico y es un aislante eléctrico. Sin embargo, las partículas de alúmina dispersadas en una matriz de cobre podrían proporcionar resistencia al desgaste del compuesto.
1-14 La densidad del aluminio es 2.7g/cm³.Suponga que desea producir un m aterial compuesto a base de aluminio que tuviera una densidad de 1.5g/cm³. Diseñe un material que tenga una densidad.¿Sería factible la posibilidad de i ntroducir en el aluminio perlas de polietileno cuya densidad es 0.95g/cm³? E xplique por qué.
Para producir un material compuesto de matriz de aluminio con una densidad de 1 .5 g/cm³, necesitaríamos seleccionar un material que tenga una densidad consider ablemente menor a 1.5 g / cm³. Si bien la densidad del polietileno lo haría posible, el polietileno tiene un punto de fusión muy bajo en comparación con el aluminio, es to dificultaría la introducción del polietileno en una matriz sólida de aluminio. Proce sos como la fundición o la metalurgia del polvo destruirían el polietileno. Por lo tant o, polietileno NO sería una posibilidad probable. Un enfoque, sin embargo, podría ser la introducción de cuentas de vidrio huecas. Aunque los vidrios de cerámica tie nen densidades comparables a las del aluminio, un cordón hueco tendrá una densi dad muy baja. El vidrio también tiene una alta temperatura de fusión y podría intro ducirse en aluminio líquido para su procesamiento como fundición.
1-15 Desea identificar distintos materiales sin recurrir al análisis químico ni a ensayos externos. Describa algunas técnicas posibles de prueba y clasificación que podrían usarse, con base en las propiedades físicas de los materiales.
Algunos métodos típicos pueden incluir: medir la densidad del material (puede ayudar a separar grupos de metales como aluminio, cobre, acero, magnesio, etc.), determinar la conductividad eléctrica del material (puede ayudar a separar cerámicas y polímeros de aleaciones metálicas), midiendo la dureza del material (quizás incluso solo usando un archivo) y determinando si el material es magnético o no magnético (puede ayudar a separar el hierro de otras aleaciones metálicas).
1-16 Desea separar físicamente diversos materiales en una planta de reciclado de chatarra. Describa algunos métodos que se puedan usar para separar materiales como polímeros, aleaciones de aluminio u aceros entre sí.
El acero se puede separar magnéticamente de los otros materiales; El acero (o aleaciones de hierro que contienen carbono) son ferromagnéticas y serán atraídas por imanes. Se podrían usar diferencias de densidad: los polímeros tienen una densidad cercana a la del agua; la gravedad específica de las aleaciones de aluminio es de aproximadamente 2,7; el de los aceros está entre 7.5 y 8. Se podrían usar medidas de conductividad eléctrica: los polímeros son aislantes; aluminio tiene particularmente una conductividad eléctrica muy alta.
1-17-Algunos pistones de motores automotrices podrían fabricarse con un material compuesto que contenga partículas pequeñas y duras de carburo de silicio en una matriz de aleación de aluminio. Explique las ventajas que cada material podría aportar a la parte en general. ¿Qué problemas podrían causar las distintas propiedades de los dos materiales en los pistones?
El aluminio proporciona una buena transferencia de calor debido a su alta conductividad térmica. Tiene buena ductilidad y dureza, resistencia razonablemente buena y es fácil de moldear y procesar. El carburo de silicio, una cerámica, es duro y resistente, brinda buena resistencia al desgaste y también tiene una alta temperatura de fusión. Proporciona buena resistencia al aluminio, incluso a temperaturas elevadas. Sin embargo, puede haber problemas para producir el material; por ejemplo, el carburo de silicio puede no estar uniformemente distribuido en la matriz de aluminio si los pistones se producen mediante fundición. Necesitamos asegurar una buena unión entre las partículas y el aluminio; por lo tanto, debe entenderse la química de la superficie. Las diferencias en la expansión y contracción con los cambios de temperatura pueden causar desunión e incluso grietas en el compuesto.
INTEGRANTES:
Jorge Franklin Chavez Dill-Evra Mark Anthony Calla Vargaya Luis Carlos Martin Aragon Salas Edwin Calla Totora Rodrigo Arocutipa Rivera Waleed Bin Fareed Siddiqui Percy Ticona Queque Eduardo Esquia Chambe Fernando Jose Martel Cruz Miguel Angel Mamani Mejia Jorge Elmer Quispe Quispe Alex Rosinaldo Mamani Capugra Fredi Maquera Suaña Luis Efrain Anahua Chino Marvin Joel Campos Gutierrez
2012 – 37242 2013 – 39200 2016 – 104001 2004 – 25602 2016 – 104042 2016 – 104016 2016 – 104005 2016 – 104013 2016 – 104034 2016 – 104038 2009 – 33377 2016 – 104007 2016 – 104032 2016 – 104026 2006 - 29913
