Actividad 4 - Propiedades Mecánicas y Eléctricas de Los Materiales [PDF]

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INGIENEREIA DE MATERIALES ACTIVIDAD 4 - TALLER 2: PROPIEDADES MECÁNICAS Y ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES

Presentado por: LUIS FELIPE NUÑEZ ROJAS

Presentado a: JULIAN GUTIERREZ

FACULTAD DE INGIENERIA 2022

INTRODUCCION Propiedades de los materiales. Las propiedades son factores que influyen cualitativa o cuantitativamente en la respuesta de un determinado material a la imposición de estímulos y restricciones, por ejemplo, fuerzas, temperatura, etc.

TALLER N°2- UNIDAD 2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Instrucciones: Estimado estudiante, el presente cuestionario debe ser resuelto preferiblemente en medio digital, si decide resolverlo a mano, recuerde que la digitalización debe realizarse en formato PDF y debe ser completamente legible, de lo contrario no será calificado. El trabajo se entrega individualmente, dentro de las fechas establecidas. Cada pregunta debe ser resuelta con su correspondiente argumentación o cálculos. Recuerde revisar el material bibliográfico recomendado para la unidad. Cualquier duda, consultar con el tutor correspondiente. ¡¡Éxitos!!

1. ¿Cómo se fabrican las aleaciones metálicas mediante los procesos de fundición? R// El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser esta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido. Es un procedimiento de molde perdido y de vertido por gravedad. La arena está formada por sílice (88%), arcilla (9%) como aglutinante, agua (3%) y algún material orgánico.

2. ¿Qué diferencias hay entre un producto de fundición y uno de forja? R// Fundición La fundición consiste en cambiar el estado físico de un material, sea hierro o acero. El metal pasa de estado sólido a líquido y esto lo logra debido a altas temperaturas a las que se expone. Este metal líquido se vierte en un molde de grafito, y a partir de allí se va formando la pieza deseada, por lo que es muy común que se fabriquen importantes estructuras mediante técnicas de fundición dúctil. Forja Por su parte, la forja también se vale de un tratamiento térmico para su aplicación. No obstante, el estado del material que trabaja no se hace líquido y requiere de otras técnicas, incluyendo la soldadura. El forjado suele ser empleado para formar otros metales mediante técnicas de presión y golpes, en el caso de cuchillos y  espadas de acero inoxidable son el ejemplo perfecto de los objetos creados con esta técnica.

3. Una chapa de aleación de aluminio se lamina en frío 30 por ciento hasta un espesor de 0.080 pulgadas. Si se lamina de nuevo en frío hasta un espesor final de 0.064 pulgadas. ¿Cuál será el trabajo en frío total aplicado?

4. Una chapa de latón con 60% Cu-40% Zn de 0.0955 cm de espesor se lamina en frío hasta reducir 40 % su espesor. ¿Cuál será el espesor final de la chapa?

5. describa e ilustre los siguientes procesos de extrusión: a) extrusión directa y b) extrusión indirecta. ¿Cuál es la ventaja de cada proceso?

La extrusión directa (también llamada hacia delante) un tocho de metal se carga en un recipiente, y un pisón comprime un material forzándola a través de una o más aberturas en un da do al extremo opuesto del recipiente. Al aproximarse el pisón al dado, una pequeña porción de tocho permanece y no puede forzarse a través de la abertura del dado, esta porción extra llamada tope o cabeza, se separa del producto, cortándola justamente después de la salid a del dado. Desventajas Un problema de la extrusión directa es la gran fricción que existe entre la superficie del trabajo y la pared del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho hacia la abertura del dado. Esta fricción ocasiona un incremento sustancial de la fuerza requerida en el pisón para la extrusión directa. En extrusión en caliente este problema se agrava por la presencia de una capa de oxido en la superficie del tocho que puede ocasionar defecto s en los productos extruidos. Para resolver este problema se usa un bloque simulado entre el pisón y el tocho de trabajo, el diámetro del bloque es ligeramente menor que el del tocho, de manera que en el recipiente queda un anillo de metal de trabajo (capas de oxido en su mayoría), dejando el producto final libre de oxido. Ventajas La extrusión directa se puede hacer situaciones huecas ( por ejemplo, tubos). El tocho inicial se prepara con una perforación paralela a su eje, esto permite el paso de un mandril que fija en el bloque simulado. Al comprimir el tocho se fuerza al material a fluir a través del claro entre el mandril y la abertura del dado. La sección resultante es tubular. Otras formas semihuecas se extruyen de la misma forma. La extrusión indirecta, también llamada extrusión hacia atrás y extrusión inversa, el dado está montado sobre el pisón, en lugar de estar en el extremo opuesto del recipiente. Al penetrar el pisón en el trabajo fuerza al metal a fluir a través del claro en una dirección opuesta a la del pisón. Como el tocho se mueve con respecto al recipiente, no hay fricción en las paredes del recipiente.

Por consiguiente, la fuerza del pisón es menor que en el esturión directo son impuestas por la menor rigidez del pisón hueco y la dificultad de sostener el producto extruido tal como sale del dado. 6. ¿Qué diferencia hay entre a) forja martillo y forja a prensa, b) forja con matriz abierta y forja con matriz cerrada. Dé un ejemplo de producto metálico producido por cada proceso. R// La diferencia entre la forja con martillo y la forja con prensa, radica en que en la forja con martillo es un proceso en el cual se golpea rápidamente con un martillo la superficie de un material para moldearlo, en la forja con prensa se coloca un material dentro de una cámara la cual va a someter nuestro material a una fuerza de compresión lenta. Ahora, la diferencia entre la forja de matriz abierta y matriz cerrada está en, que en la forja de matriz abierta el material es puesto entre dos matrices de forma muy simples las cuales tienen unas aberturas cónicas o cilíndricas, lo cual es muy útil para la producción de piezas grandes, mientras que en la forja de matriz cerrada se introduce un material entre dos matrices las cuales tienen “impresa “la forma que se le desea dar al material.

Ejemplos: Forja martillo

Forja prensa

7. Describa el proceso de trefilado. ¿Por qué es necesario asegurar la limpieza y lubricación adecuadas del alambre durante éste proceso? R// Lo que se conoce como trefilado es una operación de conformación. Se da en la reducción de sección de un alambre, para luego hacerlo pasar mediante un orificio específico, de forma de cono. En este proceso, los materiales que se emplean con más frecuencia para su conformación a través del trefilado son el aluminio, el cobre, el acero y los latones. Basándonos en una definición más exacta, el trefilado consiste en el estirado del alambre en frío. Ello se da a través de una serie determinada de pasos sucesivos, mediante hileras o trefilas de carbono de tungsteno. La reducción de sección es lo que le otorga al material una determinada acritud, lo cual favorece sustancialmente la calidad y las posibilidades de sus características mecánicas.

8. Un alambre de 90.5 % de Cu y 0,25 pulgadas de diámetro se trefila en frío con 45 % de reducción. ¿Cuál será el diámetro final del alambre?

9. ¿Que diferencia hay entre deformación elástica y plástica?, ¿que es la tensión convencional y qué unidades son utilizadas comúnmente en Estados unidos y en el SI de unidades? R// 

Deformación plástica: irreversible o permanente. Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.

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Deformación elástica: reversible o no permanente, el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica , solo pasa por cambios termodinámicos reversibles. El sistema de Unidades de medida de los Estados Unidos es un conjunto consistente de unidades de medida no métricas que se utilizan de forma habitual en los Estados Unidos. La mayor parte de estas unidades son prácticamente idénticas a las respectivas unidades homónimas del sistema anglosajón de unidades sistema anglosajón o imperial. Sin embargo, dado que el sistema empleado en los Estados Unidos se desarrolló a partir del sistema de unidades del Imperio británico antes de la estandarización de 1824, hay algunas diferencias en ciertas unidades.

10. Calcule la tensión convencional en el SI de unidades que actúa sobre una barra redonda de 50 cm de longitud y una sección transversal de 12.00 mm x 7 mm que soporta una carga de 7500 kg.

11. Una probeta de un material de dimensiones 10 x 10 x 10 cm con un comportamiento elástico lineal rompe cuando la carga ha alcanzado un valor de 15.000 kg, registrándose en ese momento un acortamiento de 0,3 mm. Se pide: a) Representación gráfica del comportamiento mecánico del material y tipo de fractura que experimenta. b) Calcular la tensión de compresión en rotura. c) Calcular la deformación unitaria en rotura. d) Calcular el módulo de elasticidad del material. e) Sabiendo que el coeficiente de Poisson (‫( ע‬del material es 0,3, calcular la deformación transversal de la probeta en rotura. f) Calcular el área que deberá tener la probeta para que con la misma carga del ensayo la. R//

Se evidencia un tipo de fractura frágil teniendo en cuenta que el material rompe súbitamente tras registrar pequeñas deformaciones.

13. Una barra de 0.605 pulgadas de diámetro de una aleación de aluminio se somete a carga de 28000 lb. Si el diámetro de la barra es de 0.490 pulgadas a esta carga, determine: a) La tensión y la deformación convencionales. b) La tensión y deformación reales. R//

14. ¿Qué son las bandas y líneas de deslizamiento? ¿Qué causa la formación de las bandas de deslizamiento en la superficie de un metal? Describa el mecanismo de desplazamiento que permite que un metal se deforma plásticamente sin llegar a la fractura. R// En ciencia de materiales, deslizamiento es el proceso por el cual se produce deformación plástica por el movimiento de dislocaciones. Debido a una fuerza externa, partes de la red cristalina se deslizan respecto a otras, resultando en un cambio en la geometría del material. Dependiendo del tipo de red, diferentes sistemas de deslizamiento están presentes en el material. Más específicamente, el deslizamiento ocurre entre los planos que tienen el menor vector de Burgers, con una gran densidad atómica y separación interplanar. La imagen a la derecha muestra esquemáticamente el mecanismo de deslizamiento. 15. Se aplica una tensión de 80 MPa en la dirección [001] de un mono cristal FCC. Calcule: a) La tensión de cizalladura que actúa en el sistema de deslizamiento (111) [101]. b) La tensión de cizalladura que actúa en el sistema de desplazamiento (111) [111]. 16. ¿Qué función desempeña el maclado en la deformación plástica de los metales con respecto a la deformación por desplazamiento? ¿Por qué la deformación por maclado es tan importante en los metales HCP? R// El maclado es un mecanismo, complementario al deslizamiento, por el cual la aleación queda endurecida al igual que sucedía con el deslizamiento. El maclaje es un movimiento de planos de átomos en la red, paralelo a un plano específico, de maclaje, de manera que la red se divide en dos partes simétricas diferentemente orientadas. La cantidad de movimiento de cada plano de átomos en la región maclada es proporcional a su distancia del plano de maclaje, de manera que se forma una imagen especular a través del plano de maclaje, según se muestra en las figuras siguientes.

Importancia de maclado en los materiales HCP.

     

Una porción de cristal cambia orientación. Queda imagen a espejo. El plano de simetría se llama plano de macla. Movimientos atómicos menores que distancia interatómica. Tiene plano y dirección definido. Pone otros sistemas disponibles a deslizamientos.

18. Si tuviera que elegir un material con la menor deformación elástica posible para la construcción de un brazo de robot (importante para el correcto posicionamiento del brazo) y el peso no fuera un criterio crítico, ¿qué material de entre los que se muestran en la siguiente figura elegiría? ¿Por qué? R// El aluminio es un material óptimo para construcción del brazo de un robot ya que por ejemplo en el caso de la base hexagonal inferior de aluminio, la cual debe resistir sin deformarse prácticamente todo el peso del robot puede llegar a soportar hasta 62000N. 19. Describa el modelo clásico de conducción eléctrica en metales. Distinga entre a) núcleos de iones positivos y b) electrones de valencia en una red cristalina metálica tal como el sodio. a. Los iones son átomos o grupos de átomos que tienen una carga eléctrica. Los iones con una carga positiva se denominan cationes. Los que tienen carga negativa se denominan aniones. En el cuerpo existen muchas sustancias normales en forma de iones.

b. Cuando el sodio cede su electrón de valencia, se produce el ión sodio, con carga positiva; el cloro acepta este electrón y se forma el ion cloro, con carga negativa. Los dos iones cuentan con 8 electrones en su capa más externa y se atraen entre sí, pues poseen cargas opuestas.

22. ¿Cómo explica el modelo de bandas de energía la pobre conductividad eléctrica de un aislador como el diamante puro? La física interesante ocurre en la parte superior de las bandas llenas. Cuando se aplica un campo eléctrico externo (voltaje) al material, un electrón puede responder al campo solo si puede moverse a un estado cuántico ligeramente más alto, ya que tendría un poco más de energía al ser afectado por el campo. Esto será posible solo si hay algunos estados libres cercanos a los que el electrón pueda saltar. Este es el caso de los materiales conductores, como el cobre y la plata, ya que sus electrones se llenan en los estados disponibles de modo que la banda más alta está llena solo parcialmente. Los electrones en esta banda, que se llama banda de conducción, son libres de ser conducidos (en realidad, propagados como ondas) por el material, ya que hay estados cuánticos vacíos cercanos en su banda de energía. Pero los electrones en las bandas inferiores llenas no pueden moverse, ya que no hay estados libres cerca.

23. ¿Por qué se dice que un hueco es una partícula imaginaria? Utilice un dibujo para mostrar cómo los huecos de electrones pueden moverse en una red cristalina de silicio. Explique, utilizando un diagrama de bandas de energía, cómo los electrones y los huecos de electrones se crean en pares en silicio intrínseco. Un hueco de electrón , o simplemente hueco,es la ausencia de un electrón en la banda de valencia que estaría normalmente completa sin el «hueco». Una banda de valencia completa (o casi completa) es característica de los aislantes y de los semiconductores. 

24. ¿Qué son los impurificadores en los semiconductores? Explique el proceso de impurificación mediante difusión. R// En la producción de semiconductores, se le denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor (abreviadamente, SC) extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor, es llamado degenerado. Difusión con concentración de dopante constante en la superficie. Los átomos de impureza son transportados a partir de una fuente gaseosa hacia la superficie semiconductora. La fuente gaseosa mantiene a nivel constante la concentración de superficial durante todo el proceso de difusión.

29. ¿Qué son los materiales piezoeléctricos PZT? ¿De qué manera son superiores a los materiales piezoeléctricos de BaTiO3? R// Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que escasean de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan segregación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Por tanto, en la masa surgen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas brotan cargas de signo opuesto. Principio de funcionamiento de los materiales piezoeléctricos Como lo mencionamos arriba, la piezoelectricidad se caracteriza por ser una sustancia para formar electricidad si se le aplica una tensión como apretar, doblar o torcer. Esto ocurre a través de un proceso que es el siguiente Cuando se coloca bajo tensión, el cristal piezoeléctrico produce una polarización, P , ajustada a la tensión que lo produjo. La fórmula central de la piezoelectricidad es p = d × tensión, donde d es el coeficiente piezoeléctrico, un elemento único para cada tipo de material piezoeléctrico. El coeficiente piezoeléctrico para el cuarzo es 3 × 10-12. El coeficiente piezoeléctrico para el titanato de circonato de plomo (pzt) es 3 × 10-10. En la red cristalina se originan pequeños desplazamientos de iones que crean la polarización observada en la piezoelectricidad. Es importante resaltar que este fenómeno solo presenta en cristales que no tienen un centro de simetría Clasificación de los materiales piezoeléctricos Podemos contar con dos grupos de materiales que describiremos a continuación: 

Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, entre otros



Los conocidos como ferro eléctricos: tanta lato de litio, nitrato de litio, berlinita, en forma de materiales mono cristalinos y cerámicas o polímeros polares, que al ser sometidos a polarización obtienen características piezoeléctricas.

31. a) ¿Qué son los polímeros conductores? b) ¿Cómo funcionan? c) Mencione una aplicación. R// Los polímeros se caracterizan en general por ser materiales aislantes, pero desde hace unos treinta años se ha logrado sintetizar los denominados polímeros conductores, que son buenos conductores de la electricidad, tan buenos que se han denominado metales sintéticos. Los polímeros conductores reúnen la combinación de las propiedades eléctricas de los metales y las ventajas de los plásticos que tanta expectación despertaron en los años cuarenta. Una vez demostrada la posibilidad de conducir la electricidad de los polímeros la idea se difundió rápidamente. La conductividad se debe principalmente a la adición de ciertas cantidades de otros productos

químicos  (dopado), pero también a la presencia de dobles enlaces conjugados que permiten el paso de un flujo de electrones.

APLICACIONES: Baterías: Una de las aplicaciones más conocidas son las baterías recargables, estas son de menor peso que las convencionales que contenían plomo y ácido sulfúrico; entre otras propiedades. El uso de electrodos de plástico evita el desgaste mecánico asociado a la disolución/deposición del electrodo que ocurre durante el proceso de carga y descarga de las baterías comunes Aplicaciones Músculos artificiales: La oxidación/reducción electroquímica de los polímeros conductores lleva asociado un cambio de volumen del material. El cambio de volumen (propiedad mecánica) está asociado al grado de oxidación y este a la carga consumida en el proceso electroquímico: propiedad electroquímica. Al estar el movimiento basado en una propiedad electroquimiomecánica, está influenciado por las variables químicas y eléctricas que actúen sobre la cinética electroquímica del proceso: el gradiente de potencial, la corriente que fluye por el sistema, o la concentración del electrolito en el medio. El estado actual de desarrollo de los músculos artificiales permite estar trabajando en aplicaciones para micro robótica, en equipos quirúrgicos manejables al final de una sonda, en los catéteres para controlar su flexibilidad y facilitar su penetración, en equipos ópticos como posicionadores y como sensores-actuadores en sistemas de detección y alarma. La última generación de músculos artificiales basados en polímeros conductores nos ha acercado a los músculos naturales en varios aspectos fundamentales. Nervios artificiales: Se aprovecha la capacidad de intercambio iónico de los polímeros a la vez de su conductividad, el polímero conductor se transforma así en un transductor en el que una entrada de electrones en el material va asociada con una entrada de cationes y viceversa lo que genera un impulso iónico.

BIBLIOGRAFIA González-Viñas, W. (2005). Ciencia de los materiales. Editorial Ariel.  González-Viñas, W. (2005). Ciencia de los materiales. Editorial Ariel. Barroso Herrero, S. y Ibáñez Ulargui, J. (2014). Introducción al conocimiento de materiales. UNED Universidad Nacional de Educación a Distancia.  Oliva Arias, A. (2005). Nuevas propiedades físicas de materiales nanoestructurados.  Ingeniería, 9 (3), 39-46. Morán Lopez, J. L. y Rodríguez López, J. L. (2012). Los materiales nanoestructurados: sus propiedades y aplicaciones en la revolución científica y tecnológica del siglo XXI. FCE - Fondo de Cultura Económica.