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UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE SANTA ELENA

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA INGENIERÍA CIVIL

Integrantes:

Curso: 5/

Asignatura: Comportamiento de los materiales Docente: Ing. Richard Ramirez Período académico 2019-2

Sección 1-1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales?

1.1 Defina ciencia e ingeniería de materiales (CIM) La responsabilidad de conocer, aplicar e investigar en materiales es de la Ingeniería de Materiales. Sin embargo, solo se puede avanzar cuando se conoce profundamente las causas y consecuencias de los conocimientos que se han adquirido con anterioridad. Estamos ante la especialización dada por la Ciencia y la Ingeniería de Materiales, que conviene definir: 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 trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamentales y aplicados, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica. A veces es difícil definir la frontera entre ambos conceptos pues existe una zona de uso común, según la formación del especialista. Lo que sí es evidente es que ambos deben caminar unidos de forma obligada. El uso combinado de la ciencia y la ingeniería de materiales permite a los ingenieros convertir los materiales en los productos requeridos por la sociedad.

1-3 Explique la diferencia entre los términos ciencia de materiales e 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 varias, o transformarlos en productos para nuestro uso. Gracias al estudio de esta ciencia se ha llegado a progresos en el conocimiento y desarrollo de los materiales en los últimos años, pero los avances constantes en las diversas áreas le obligan a que se sigan innovando en la calidad y manejabilidad de los diversos materiales que se utilizan para cualquier obra, maquinaria, equipo o herramienta que se utiliza en la actualidad. Gracias a la evolución de los materiales que se utilizan para la satisfacción de necesidades humanas, se ha podido evolucionar en la creación de herramientas de trabajo más eficientes en diversas áreas lo que nos ha permitido mejorar nuestra calidad de vida, gracias a los diversos equipos que utilizamos tanto en nuestros hogares, como en el trabajo y en los diversos campos que nos desempeñamos. 1.5 Describa la propiedad de aporte de los materiales siguientes y por qué lo es:

a) Losetas de sílice para transbordadores espaciales Propiedades:  Baja conductividad térmica (Las altas temperaturas que se cogen al entrar en la atmósfera (1700 ºC) obligan a cubrir las zonas frontales de la nave con losetas cerámicas capaces de aislar el interior del exterior.)  Choque térmico El sistema de protección térmica (TPS) está diseñado para que la temperatura de la estructura de aluminio del orbitador se mantenga por debajo de los 177 grados Celsius aunque en algunas superficies que están más expuestas, la temperatura puede llegar hasta los 1.260 grados Celsius. b) Acero con vigas I en los rascacielos  El acero estructural tiene una gran firmeza, una característica que permite que sea utilizado para estructuras con una gran eficacia. El acero estructural es capaz de soportar grandes pesos, sin que su forma sea dañada o modificada.  La ductilidad es también muy importante cuando hablamos de materiales de construcción.  c) Aleación de cobalto-cromo-molibdeno para implantes de cadera  resistencia al desgaste a largo plazo, otro factor importante es su proceso de fabricación. El acabado superficial (la lisura de las superficies metálicas brillantes) se controla con una tolerancia de aproximadamente 5 micras. Una micra es una milésima de milímetro. El espesor promedio de un cabello humano es aproximadamente 100 micras, por consiguiente, la lisura de las superficies articulantes es controlada con una tolerancia de 1/20 parte del espesor de un cabello humano. d) Policarbonato para lentes de anteojos  

Su gran resistencia. Estas lentes son hasta 10 veces más resistentes a los golpes que las construidas con plástico o vidrio. Esto las hace especialmente indicadas para niños, deportistas y personas que realicen trabajos peligrosos. Máxima protección del sol. Los lentes de policarbonato ofrecen una protección del 100% contra la los rayos UVA, mucho mayor que las lentes construidas de material orgánico.

e) Bronce para esculturas  Son menos frágiles, su punto de fusión es menor. Son excelentes conductores de electricidad y calor. Las aleaciones de bronce son menos rígidas que la de otros metales, por lo cual tienen la capacidad de acumular menos calor. Por ello, una de las principales aplicaciones es la fabricación de resortes, como piezas industriales.

1.7 Escriba un párrafo acerca de por qué el silicio monocristalino es en la actualidad el material de elección para aplicaciones microelectrónicas. Escriba un segundo párrafo

acerca de las alternativas potenciales para el silicio monocristalino para aplicaciones de celdas solares. Provea una lista de las referencias o sitios web que utilice. Debe utilizar al menos tres referencias. Porque es el material base para los chips de  silicio uti lizados en prácti camente todos los equipos electrónicos  el silicio monocristalino consiste en silicio en el que la red cristalina de todo el sólido es conti nua , no se rompe en sus bordes y está libre de cualquier límite de grano . El silicio monocristalino se puede preparar como un semiconductor intrínseco que se compone sólo de silicio muy puro. El silicio monocristalino también se utiliza en el campo de la energía solar, concretamente para la fabricación de paneles fotovoltaicos de alto rendimiento, las celdas solares Sirven para captar y convertir la energía solar en energía eléctrica utilizable en casas, oficinas, calles, fábricas y más. Los elementos y compuestos que se utilizan en mayores proporciones tienen la cualidad de ser semiconductores, como los que se utilizan en la industria de la electrónica, pues conviene que conduzcan energía eléctrica sólo bajo ciertas condiciones; principalmente se hace uso de silicio, arseniuro de galio y boro. 1.9.- Se desea producir una cubierta corrediza transparente para un avión. Si se utiliza una cubierta corrediza de vidrio de ventana tradicional las rocas o aves podrían ocasionar que se hagan añicos. Diseñe un material que minimice el daño o que al menos evite que la cubierta corrediza se rompa en pedazos. Debería ser un material que fuese una mezcla de vidrio y plástico que reúna la ligereza del plástico y soporte bien los cambios de temperatura y presión como le sucede al vidrio. El contener algo de plástico también evita algo de peso en dicho material. También podría pensarse en los llamados vidrios de seguridad que se componen de dos hojas de vidrio y entre ambas redes metálicas muy fina e imperceptible a simple vista, e incluso podría usarse el llamado metacrilato. 1.11.- Los indicadores de temperatura en ocasiones se producen a partir de una tira de metal enrollada que se desenrolla una cantidad específica cuando aumenta la temperatura. ¿Cómo funciona; a partir de qué tipo de material se haría el indicador y cuáles son las propiedades importantes que debe poseer el material en el indicador? 

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Los indicadores de temperatura se fabrican a partir de dos tipos de materiales por lo que se denominan bimetal. Esto consiste en colocar dos láminas de metales diferentes con distintos coeficientes de dilatación por lo que cuando se someten a la temperatura a medir, uno se dilata más que el otro que comúnmente es del centro, por lo que el resultado es que esa espiral se enfrasca más o menos. Está fabricado de una tira metálica enrollada en espirales y calentarse en cuyo extremo exterior esta una aguja señalizada en una escala graduada.

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Es resistente mecánicamente, resistente a los cambios bruscos de temperatura y fácilmente moldeable para las distintas formas de carcasas.

1-13. Desea poner en órbita un micro satélite de 3 pies de diámetro. El satélite contendrá equipo electrónico delicado que enviará y recibirá señales de radio desde la tierra. Diseñe la coraza externa dentro de la cual estará contenido el equipo electrónico. ¿Qué propiedades requerirá y que tipo de materiales podrían considerarse?

Los satélites están alimentados por células fotoeléctricas que se colocan en la carcasa exterior en grandes paneles y en su interior se encuentran transmisores de radio para enviar datos y circuitos electrónicos para almacenarlos. Por tanto para la fabricación de estos grandes paneles se requerirán materiales con propiedades ópticas adecuadas (fotoconductores) que interaccionarán con la radiación para cambiar la configuración electrónica de sus átomos. Cuando la energía luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Un material adecuado para la fabricación de estas células es el silicio (extraído de la arena común). A partir de barras con estructura no cristalina se genera una barra con estructura mono-cristalina mediante un proceso electrónico, que además le confiere propiedades de aislante eléctrico y luego se pone en forma de. El procesado en obleas es sumamente adecuado para aplicaciones aeroespaciales por su ligereza. El principal inconveniente de este sistema es que la técnica de fabricación de obleas es costosa y compleja, ya que la energía solar es inagotable y la materia prima para la obtención de Si es arena común. Para el almacenamiento de datos se requiere la creación de microcircuitos electrónicos formados por materiales con alta conductividad eléctrica y bastante ligeros. En este caso también se usan obleas de Si, por sus adecuadas propiedades electrónicas. Se logra así, colocar circuitos muy complejos en un chip de pequeñísimo tamaño y espesor. Los circuitos se encapsulan mediante aislantes como polímeros epóxidos que además de gran dureza y resistencia al impacto confieren una gran protección frente a la humedad. 1-15. El casco de un trasbordador espacial consiste en losetas cerámicas unidas a una cubierta de aluminio. Explique los requerimientos del diseño del casco del transbordador que conduce al uso de esta combinación de materiales. ¿Qué problemas en la producción de este casco podrían tener que enfrentar los diseñadores y los fabricantes? Requerimientos: 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 coste pues el casco es de gran superficie, de forma que se rechaza este material en favor de la combinación de materiales. Problemas:

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.

1-17. El aluminio tiene una densidad de 2.7 g/cm 3. Suponga que desea producir un material compuesto basado en aluminio que tenga una densidad 1.5 g/cm 3. Diseñe un material que tenga esta densidad. ¿La introducción de gránulos de polietileno, con una densidad de 0.95 g/cm 3, en el aluminio sería una posibilidad? 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/cm 3. 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 ti ene una temperatura de fusión alto y podría ser introducido en el líquido de aluminio como para el procesamiento de una pieza de fundición. 1-19. Desea ser capaz de separar de manera física distintos materiales en una planta de reciclaje de desechos. Describa algunos métodos posibles que podrían utilizarse para separar entre si materiales como polímeros, aleaciones de aluminio y aceros. Aprovechando las propiedades físicas distintas entre polímeros, aleaciones de aluminio y acero, podemos ver diferentes formas de separación: a) Propiedades magnéticas Pasando un imán sobre los desechos materiales, podemos separar el acero del resto ya que éste contiene Fe en su composición y, en muchos casos, le proporciona propiedades magnéticas. Los otros dos materiales no son magnéticos pero podemos separarlos por los siguientes métodos. b) Vía electrolítica. Poniendo los materiales desechos en una disolución con dos electrolitos, podremos separar los materiales de aluminio de los polímeros ya que el aluminio queda adherido a los electrolitos debido a sus propiedades eléctricas, mientras que los polímeros quedarían en la disolución (materiales aislantes)

c) Por diferencia de densidad Introduciendo los materiales en una disolución o una corriente de líquido se observa que los más densos serán los primeros en caer (precipitar). De esta forma, el orden de salida sería: aceros (mayor densidad), aluminio y polímeros (menor densidad).

1-21. Investigue los orígenes y las aplicaciones para un material que ha sido inventado o descubierto desde que usted nació o investigue el desarrollo de un producto o tecnología que haya sido inventada desde su nacimiento que fue hecha posible por el uso de un material nuevo. Escriba un párrafo acerca de este material o producto. Provea una lista de referencias o sitios web que utilice. Debe utilizar al menos tres referencias. Materiales cerámicos con gradiente de composición Este concepto aparece en Japón por primera vez en el año 1985. Un material con gradiente de composición es aquel que posee una estructura tal que una determinada propiedad varía a lo largo del volumen, por ejemplo dureza, conductividad térmica, constante dieléctrica, etc. Los primeros estudios se llevaron a cabo con materiales compuestos metal cerámica siguiendo una ruta pulvimetalúrgica. El primer material cerámico con gradiente de composición (CGC) que se recoge en la literatura fue obtenido por un grupo de investigadores del CSIC en 1992 mediante colaje secuencial de barbotinas de alúmina y circona parcialmente estabilizada con ytria. A partir de entonces se han obtenido por diferentes rutas CGC de alumina-circonia, alúmina-mullita, alúminahidroxiapatito, materiales cerámicos con gradiente de porosidad, etc. Haciendo uso de este concepto se pueden diseñar materiales capaces de llevar a cabo funciones específicas que no pueden ser satisfechas por ningún material cerámico monolítico. Tal es el caso de los nuevos materiales compuestos cerámica-metal con un gradiente de composición continuo. Estos materiales son básicamente heterogéneos de manera que por un extremo pueden poseer una elevada conductividad eléctrica y térmica, mientras que por el extremo opuesto pueden ser aislantes perfectos. A partir de bar botinas estables de sistemas articulados su micrométricos mulita-Mo o sílice-Mo y mediante un proceso de segregación controlada y filtración bajo presión seguido de un tratamiento térmico en vacío a 1.650ºC, se han obtenido probetas cilíndricas con densidad próxima a la teórica y con un gradiente de composición continuo de Mo con el umbral de percolación situado aproximadamente a la mitad de la altura de la probeta. Estos cilindros con gradiente de composición continuo han encontrado recientemente una aplicación de alta responsabilidad como interconectares en lámparas halógenas de alta intensidad sirviendo a su vez de electrodo y de componente de sellado de la lámpara. Estas lámparas poseen una alta estabilidad lumínica, no explosionan y tienen una vida media >4.000h, diez veces mayor que las convencionales del mercado.