PROBLEMAS. Sección 1-1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de los materiales?
1-1 Defina ciencia e ingeniería de materiales. Es un campo interdisciplinario que se ocupa de inventar nuevos materiales y mejorar los ya conocidos, mediante el desarrollo de un conocimiento más profundo de las relaciones entre micro-estructura, composición, síntesis y procesamiento. 1-2 Defina los siguientes siguiente s términos: a) Composición: Constitución química de un material. b) Estructura: Descripción de los arreglos de los átomos o los iones en un material. La estructura de los materiales tiene una influencia sobre muchas de sus propiedades, aunque no cambie su composición química general. c) Síntesis: El proceso de fabricar materiales a partir de elementos o de químicos hechos por el hombre. d) Procesamiento: Distintas formas de conformar materiales o cambiar sus propiedades para obtener componentes útiles. e) Micro-estructura: Es la estructura que se encuentra en escala microscópica. 1-3 Explique la diferencia diferen cia entre los términos ciencia de materiales e ingeniería de materiales. La ciencia de materiales son las relaciones entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales. La ingeniería de materiales es el enfoque hacia la conversión y transformación de los materiales en dispositivos o estructuras útiles.
1-4Señale 1-4 Señale
un
evolucionario.
descubrimiento
revolucionario.
Señale
un
descubrimiento
Revolucionario: El descubrimiento del transistor de silicio que se usa en los chips de computadora. Evolucionario: Aleaciones basadas en hierro, cobre y elementos parecidos.
Sección 1-5 Efectos ambientales y de otra índole.
1-5 El acero se recubre con frecuencia con una capa delgada de zinc, cuando se va a usar a la intemperie. ¿Qué características cree que aporta el zinc a ese acero cubierto o galvanizado? El zinc aparte de darle más vista pues es un metal brillante tiene mayor resistencia ala corrosión y por ello incrementa la vida útil de los elementos recubiertos, incluso puede resistir hasta 720 horas de ataque continuo de brisa salina (elemento altamente corrosivo).
1-6 Se desea producir un toldo transparente para un avión. Si se usara un toldo cerámico (esto es, vidrio normal de ventanas), las rocas o los pájaros lo romperían. Diseñe un material que minimice los daños o que cuando menos evite que el toldo se rompa o desintegre. Una manera de diseñar un material más resistente puede ser con el metacrilato que es duro, rígido y transparente y suele ser mucho más resistente al impacto de algún objeto. 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. Si por que estos materiales se aplican principalmente por sus elevadas resistencias a muy alta temperatura, presentando a su vez una elevada resistencia al desgaste, aunque reaccionan con cierta facilidad en atmósfera oxidante.
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 de tener? Al calentarse la espira, el calor dilata el metal y la espira se desenrolla. Debido a este efecto, la aguja cambia de posición marcando un valor tabulado de la temperatura. Se utilizan tiras metálicas porque estos materiales se dilatan notablemente con la temperatura, poseen el mayor coeficiente de dilatación respecto a todas las demás clases de materiales. Para la carcasa que rodea a la espira metálica se debería elegir un material compuesto pues es resistente mecánicamente, resistente a los cambios bruscos de temperatura y fácilmente moldeable para las distintas formas de la carcasa. A altas temperaturas los polímeros y, en menor medida, los metales se deforman luego no son adecuados. 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? Los materiales que utilizaríamos serían los cerámicos avanzados, que tienen mayor resistencia, mejor resistencia al desgaste y a la corrosión a unas temperaturas altas y al choque térmico. En los cerámicos avanzados tenemos la alúmina (oxido), el nitruro de silicio y el carburo de silicio. Estos cerámicos avanzados actúan como escudo termino y pueden volver rápidamente a temperaturas normales al retirarse del calor. 1-10
Le gustaría poner en órbita un micro satélite de 90cm. El satélite tendrá
equipos eléctricos delicados que mandaran y recibirán señales de radio desde y hacia la tierra. Diseñe la coraza externa (contenedor) dentro del que se colocara el equipo electrónico. ¿Qué propiedades se necesitaran y que clase de materiales podrían tenerse en cuenta? Con el fin de producir un material compuesto de aluminio-matriz con una densidad de 1,5 g/cm3, tendríamos que seleccionar un material con una densidad mucho
menor de 1,5 g/cm3. Mientras que la densidad de polietileno haría que una posibilidad, el polietileno tiene un punto de fusión muy bajo comparado con el aluminio, lo que haría muy difícil introducir el polietileno en una matriz sólida de aluminio, tales como los procesos de fundición o metalurgia de polvos destruiría el polietileno. Por lo tanto, de polietileno no sería una posibilidad probable. Un enfoque, sin embargo, podría ser la introducción de cuentas de vidrio hueco. A pesar de vasos de cerámica tienen una densidad comparable a la de aluminio, una perla
hueca
tienen
una
densidad
muy
baja.
El
vidrio
también
tiene una alta temperatura de fusión y se podrían introducir en aluminio líquido para la transformación en un casting. 1-11
¿Qué propiedades debe de poseer la cabeza de un martillo de carpintero?
¿Cómo fabricaría dicha cabeza? Algunos métodos típicos podrían ser: la medición de la densidad del material (puede ayudar a separar a los grupos de metales como el aluminio, cobre, acero, magnesio, etc), la determinación de la conductividad eléctrica del material (puede ayudar en la separación de materiales cerámicos y polímeros de metal las aleaciones), la medición de la dureza del material (tal vez incluso sólo con un archivo), y determinar si el material es magnético o no magnéticos (hierro puede ayudar a separar de otras aleaciones metálicas). 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? Los aceros pueden magnéticamente separados de los otros materiales; (de acero o de carbono que contienen aleaciones de hierro) son ferromagnéticos y se verán atraídos por los imanes. Diferencias de densidad se podría utilizar polímeros tienen una densidad cercana a la de agua, la gravedad específica de aleaciones de aluminio es de alrededor de 2,7, la de los aceros es entre 7,5 y8. Mediciones de
conductividad eléctrica podrían utilizarse los polímeros son aislantes de aluminio tiene una conductividad eléctrica particularmente elevado. 1-13
Usted desea seleccionar un material para los contactos eléctricos de un
dispositivo conmutador eléctrico que abre y cierra con frecuencia y con fuerza. ¿Qué propiedades debe poseer el material de los contactos? ¿Qué clase de material recomendaría? ¿Sería bueno usar Al 2 O3? Explica por qué. De aluminio ofrece una buena transferencia de calor debido a su alta conductividad térmica. Tiene una buena ductilidad y tenacidad, resistencia razonablemente buena, y es fácil de reparto y el proceso. El carburo de silicio, una cerámica, es duro y fuerte, ofreciendo buena resistencia al desgaste, y también tiene una alta temperatura de fusión. Ofrece buena resistencia al aluminio, incluso a temperaturas elevadas. Sin embargo puede haber problemas de la producción del material-por ejemplo, el carburo de silicio no puede ser distribuido uniformemente en la matriz de aluminio si los pistones son producidos por fundición. Es preciso asegurar una buena unión entre las partículas y el aluminio-la química de superficie por lo tanto debe ser entendida. 1-14
La densidad del aluminio es 2.77 g/cm 3. Suponga que desea producir un
material compuesto a base de aluminio que tuviera una densidad de 15 g/cm 3. Diseñe un material que tenga esa densidad. ¿Sería factible la posibilidad de introducir en el aluminio perlas de polietileno cuya densidad es 0.95 g/cm 3? Explique por qué. Claro hace los productos que se crean con estos materiales sean mejor aprovechados como el envase de tetra pack que al dejar de ser utilizado y separar estos materiales sean útiles para diferentes actividades, el polietileno se convierte en un gas y el aluminio se utiliza como para coches, aviones o perfiles de ventanas. 1-15
Desea identificar distintos materiales sin recurrir al análisis químico ni a
extensos ensayos. Describa algunas técnicas posibles de prueba y clasificación que podrían usarse, con base en las propiedades físicas de los materiales.
Se puede utilizar la prueba de chispas prueba de chispa que es un método para la determinación de la clasificación general de materiales de hierro. Normalmente se requiere tomar un pedazo de metal, generalmente de desecho, se esmerila con el fin de observar las chispas emitidas. Estas chispas pueden compararse con una tabla o las chispas de una muestra conocida para determinar la clasificación. Esta prueba también se puede utilizar para ordenar los materiales ferrosos, estableciendo la diferencia entre uno y otro observando las variaciones de la chispa. La prueba de chispa se utiliza porque es rápida, fácil y barata. 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 y aceros entre sí. Si se sometiera a calor estos materiales se separaran pero el polímero quedara inservible. Para poder separar los polímeros de las aleaciones de metales debemos identificarlos entre si y separarlos manualmente, Para separar el aluminio del acero utilizaría la fundición ya que el aluminio se fundería primero que el acero y de esta forma separaría el aluminio de la aleación ferrosa. 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 principal beneficio de usar bielas fabricadas de un material más ligero es que el valor de las fuerzas no balanceadas disminuye, y de igual manera la probabilidad de fallas prematuras y también reditúa en un ahorro considerable en cuanto a consumo de combustible. Y las desventajas son que el movimiento alternativo hacia arriba y abajo, que realizan las masas del mecanismo biela/pistón, produce fuerzas desbalanceadas considerables que pueden provocar fallas, además de generar pérdidas de potencia a causa de una mayor fricción entre el cigüeñal y sus apoyos.
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COLIMA
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
MITZI ANAHI CHAVEZ PAREDES
TAREA 1
“RESUMEN Y PROBLEMAS, CAPÍTULO I”
