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• Francisco Urbán

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DE MATERIALES

SERIE I

“CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES”

HORA: 16:00 - 18:00

PROFESOR: RAMÍREZ FLORES TRINIDAD

Capítulo 1 2) Se desea producir una cabina transparente para una aeronave. Si se utilizara cerámica (vidrio de ventana tradicional), las piedras y los pájaros pudieran romperla. Diseñe un material que minimice los daños o por lo menos impida que la cabina se rompa Debería ser un material que fuese una mezcla de plástico y vidrio 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 una red metálica muy fina e imperceptible a simple vista.E incluso podría usarse el llamado metacrilato. 4) Algunos indicadores de temperatura se fabrican a partir de una tira de metal en espiral, la cual se dilata una cantidad específica cuando se incrementa la temperatura. Explicar detalladamente su funcionamiento. ¿Que material elegiría para la fabricación del indicador porque y porque no otros? Los materiales son muy buenos conductores del calor debido a que existe un número muy elevado de electrones libres que participan en la conducción térmica. Esto provoca que la espiral metálica se dilate una cantidad específica con un pequeño aumento de temperatura. El material indicado podría ser un metal de alta pureza, o bien aleaciones Fe-Co o Fe-Ni, las cuales tienen un coeficiente de dilatación elevado y evitan las tensiones térmicas y las roturas.

6) Nos gustaría producir un toldo transparente para una aeronave. Si tuviéramos que utilizar una cerámica (es decir, vidrio de ventana tradicional) ,las rocas o las aves podrían provocar que se hiciera añicos. Diseñar un material que reduzca al mínimo el daño o al menos mantener el dosel se rompa en pedazos. Solución: Podríamos insertar una hoja delgada de un polímero transparente entre dos capas de la copa. Este enfoque, que se utiliza para los parabrisas de los automóviles, evitará que el cristal de la "seguridad" de desintegrarse por completo cuando se rompa 8) los indicadores de temperatura a veces se producen a partir de una tira de metal en espiral que desenrolla una cantidad específica cuando aumenta la temperatura. ¿Cómo funciona esto ; de qué tipo de material se hizo el indicador , y cuáles son las propiedades importantes que el material en el indicador debe poseer ? Solución: materiales bimetálicos son producidos por unión que tiene dos materiales diferentes coeficientes de expansión térmica entre sí , formando una laminar compuesto. Cuando los cambios de temperatura, uno de los materiales se expandirá o contraerá más

que el otro material Esta diferencia en la expansión o contracción hace que el material bimetálico de cambiar de forma ; si la forma original es la de una bobina , a continuación, el dispositivo se bobina o se desenrolla ,dependiendo de la dirección del cambio de temperatura . Para un buen desempeño delos dos materiales deben tener muy diferentes coeficientes de expansión térmica y deben tener un módulo suficientemente alto de elasticidad de modo que no se produce ninguna deformación permanente del material . 10 Usted quiere poner un microsatélite diámetro de un metro en órbita. El satélite contendrá equipos electrónicos delicados que enviar y recibir señales de radio de tierra . El diseño de la cubierta exterior en el que el equipo electrónico está contenido. ¿Qué Se requerirá propiedades y qué tipo de materiales se podría considerar ? Solución: La cáscara del microsatélite debe satisfacer varios criterios. El material debe tener una densidad baja , minimizando el peso satélite de modo que pueda se levantó económicamente en su órbita , el material debe ser fuerte , duro, y resistente al impacto , a fin de asegurar que cualquier " polvo espacial ", que podría golpear el satélite no penetra y dañar la electrónica equipo; el material debe ser transparente a las señales de radio que proporcionar la comunicación entre el satélite y la tierra , y el material debe proporcionar algún aislamiento térmico para asegurar que la calefacción solar hace dañar los componentes electrónicos . Un enfoque podría ser el uso de un revestimiento de material compuesto de varios materiales . La superficie exterior puede ser un recubrimiento de metal reflectante muy delgada que ayudaría a reflejar el calor solar. El cuerpo principal de la granada podría ser una luz peso compuesto reforzado con fibras que proporcionaría resistencia al impacto ( prevención de la penetración de partículas de polvo ) , pero sería transparente para señales de radio. 12) El casco de un trasbordador espacial esta formado por tejas cerámicas adheridas a un recubrimiento de aluminio. Analiza los requerimientos de diseño de dicho casco que llevaron a utilizar esta combinación de materiales. ¿Qué problemas tuvieron que tratar los fabricantes para el diseño previo y la posterior fabricación del casco? 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. 14 ) Se necesita separar físicamente distintos materiales en una planta de reciclaje de chatarra. Describe algunos métodos posibles que se podrían utilizar para separar polímeros, aleaciones de aluminio y acero ,según las propiedades físicas de estos materiales. Aprovechando las propiedades físicas distintas entre polímeros, aleaciones de Al 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 Al 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)

16) ) Describe con detalle algunas propiedades físicas y mecánicas cuya consideración es fundamental a la hora de diseñar el material para el ala de un avión. Explique brevemente los materiales empleados durante la historia de la aeronáutica y que adelantos han ido introduciendo. A la hora de diseñar el ala de un avión es importante utilizar materiales los cuales sean muy resistentes (alta resistencia a la presión y a la temperatura), duros, que sean materiales ligeros, que proporcionen alta resistencia al calor y al desgaste, que posean poca fricción y aislantes. Actualmente los materiales adecuados que se usan a la hora de la fabricación de las alas de un avión son fibras de carbono (materiales compuestos, composites). Se usan fibras de carbono y de vidrio. Los materiales compuestos de fibras de carbono-epoxi se usan en alas y motores de aviones, ya que son resistentes y poco pesados, algo importante para esto. Anteriormente de usan aleaciones a base de níquel, aluminio; pero actualmente se usan mayoritariamente fibras, ya que el níquel y aluminio son fácilmente corrosivos y podrían estropearse más fácilmente, y además son más pesados que las actuales fibras. Estos materiales tienen unas propiedades físicas y mecánicas muy variadas. El inconveniente de estos materiales compuestos es que son muy costosos, aunque en este tipo de vehículos que de por si son muy costosos no es un grave problema, ya que por otra parte son los más adecuados.

Capítulo 2 2) Utilizando las densidades y pesos atómicos que se dan en el apéndice a, calcule y compare el número de átomos por centímetro cubico En plomo y litio Plomo: densidad 11,34 gr/cm3 y masa atómica 207,2 gr/mol Litio: densidad 0,53 gr/cm3 y masa atómica 6,941 gr/mol siendo 1 mol de átomos = 6,02·10^23 átomos (nº de Avogadro) el número de átomos que caben por cm3:(densidad/masa) para saber el número de moles en un cm3 el resultado lo multiplico por el número de Avogadro para saber el número de átomos Luego: nº átomos = (densidad/masa)·Avogadro En el caso del Plomo nº átomos = 3,3·10^22 átomos Litio nº átomos = 4,6·10^22 4 ) Utilizando los datos que se dan en el apéndice a, calcular el volumen en centímetros cúbicos que ocupa una mol de boro densidad Boro es 2,46 gr/cm3 y su masa es 10,811 gr/mol como tengo un mol su volumen en cm3 es masa/densidad = 4,39 cm3 6 a) El papel de aluminio se utiliza para el almacenamiento de alimentos, pesa alrededor de 0,3 g por pulgada cuadrada. Cuantos átomos de aluminio se encuentran en esta muestra de papel de aluminio? Solución: En una muestra pulgada cuadrada:(0.3 g)(6.02 x 10^23 átomos/mol) / ( 26.981 g/mol ) = 6.69X10^21 átomos b) Usando las densidades y los pesos atómicos que figuran en el Apéndice A, calcular y comparar el número de átomos por centímetro cúbico en (a) plomo y (b) de litio. Plomo

Litio

8) Una placa de una pieza de acero que tiene una superficie de 200 cm2 con un 0,002 pulgadas de espesor de capa de níquel, (a) se requiere el número de átomos de níquel y (b) el número de moles de níquel que se requieren?

10) Indio, que tiene un número atómico de 49, no contiene electrones en su energía 4f nivel. Basándose sólo en esta información, ¿cuál debe ser la valencia de indio? Solución: Podemos Sea x el número de electrones en el nivel de energía exterior sp. Entonces: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f 05 (sp) x 49 - (2 2 6 2 6 10 2 10 6 0) = 3 Por lo tanto el nivel 5sp exterior debe ser: 5s25p1 o valencia = 3 12) La carga eléctrica se transfiere en metales mediante el movimiento de electrones de valencia. Cómo muchos potenciales portadores de carga son allí en un hilo de aluminio de 1 mm de diámetro y 100 m de longitud? Solución: El aluminio tiene 3 electrones de valencia por átomo, el volumen del cable es: Volumen n = (78,54 cm3) (2,699 g/cm3) (6,02 × 1023 átomos / mol) (3 electrones / átomo) / (26.981 g / mol) n = 1,42 × 10^25 14 La unión en el Ni3Al compuesto intermetálico es predominantemente metálica. Explicar por que habrá poca, si alguna, componente de unión iónica. La electronegatividad de níquel es de aproximadamente 1,8. Solución: La electronegatividad de Al es de 1,5, mientras que la de Ni es 1,8. Estos valores son relativamente cercanos, así que no esperes mucho enlace iónico. Además, tanto son metales y prefieren renunciar a sus electrones en lugar de compartir o donar estos. 16) La grafica de la temperatura de fusión de los elementos de la columna 1A de la tabla periódica está en función del número atómico (es decir, temperaturas de fusión a través de la trama de Li Cs). Discutir esta relación, basada en la unión atómica y la energía de enlace.

A medida que aumenta el número atómico, la temperatura de fusión disminuye 18) El metano (CH4) tiene una estructura tetraédrica similar a la de SiO2, con un átomo de carbono de radio de 0,77 × 10-8 cm en el centro y los átomos de hidrógeno de radio 0,46 × 10-8 cm en cuatro de las ocho esquinas. Calcular el tamaño del cubo tetraédrica para el metano.

20 Calcular la fracción de unión de MgO que es iónico. Solución: EMG = 1,2 EO = 3.5 F covalente = exp [(-0,25) (3.5 a 1.2) 2] = exp (-1,3225) = 0.266 F iónico = 1-0,266 = 0,734 ∴ unión es principalmente iónico 22) El aluminio y el silicio están uno al lado del otro en la tabla periódica ¿ cuál de los dos tiene un módulo de elasticidad más alto? Aluminio: Módulo elástico

70 GPa

Silicio: es un metaloide es decir son elementos quimicos que no se pueden clasificar dentro de los metales, ni tampoco dentro de los no metales, porque presentan características de ambos, por ejemplo, los metales son conductores, los no metales son aislantes, mientras que los metaloides son semiconductores, que transmiten la corriente eléctrica en un solo sentido. 24) El acero se recubre con una delgada capa de cerámica para protegerlo contra la corrosión ¿Qué le ocurrirá al recubrimiento cuando se incremente de manera significativa la temperatura del acero? Las cerámicas técnicas presentan fuertes enlaces atómicos híbridos iónico/covalentes, que les confiere, además de fragilidad (impedimento del desplazamiento de los planos atómicos entre sí) dureza y rigidez, un alto punto de fusión que las convierte en excelentes materiales resistentes al calor, es decir, refractarios.

26) El compuesto de fosfuro de aluminio (ALP) es un material semiconductor compuesto de haber mezclado enlace iónico y covalente. Estimar la fracción de la unión que es iónica. Solución: EAL = 1,5 Ep = 2.1 F covalente = exp (-0,25 ΔE2) F covalente = exp [(-0,25) (02.01 a 01.05) 2] = exp [-0,09] = 0.914 fionic = 1-0,914 = 0,086 ∴ unión es principalmente covalente 28) ¿Es de esperar MgO o magnesio para tener el mayor módulo de elasticidad? Explique. Solución: MgO tiene enlaces iónicos, que son fuertes en comparación con los enlaces metálicos en Mg. Se requiere una fuerza mayor para hacer que la misma separación entre los iones en MgO en comparación con los átomos de Mg. Por lo tanto, MgO debe tener la mayor módulo de elasticidad. En Mg, E ≈ 6 × 106 psi, en

MgO, E = 30 × 106 psi. 30) ¿Es de esperar Al2O3 o aluminio que tienen el mayor coeficiente de dilatación térmica expansión? Explique. Solución: Al2O3 tiene lazos más fuertes que Al, por lo tanto, Al2O3 debe tener un menor coeficiente de dilatación térmica que Al. En Al, a = 25 × 10-6 cm / CMOC, en Al2O3, a = 6.7 x 10-6 cm / CMOC. 32) De aluminio y silicio están lado a lado en la tabla periódica. ¿Qué haría usted esperar a tener el mayor módulo de elasticidad (E)? Explique. Solución: Silicio tiene enlaces covalentes; aluminio tiene enlaces metálicos. Por lo tanto, Si debe tener un alto módulo de elasticidad. 34) Explicar por qué el módulo de elasticidad de polímeros termoplásticos simples, tales como Se espera que el polietileno y el poliestireno, a ser muy baja en comparación con la de los metales y cerámicas. Solución: Las cadenas de polímeros se llevan a cabo con otras cadenas de Van der Waals, que son mucho más débiles que los enlaces iónicos, metálicos, y covalente. Para esta razón, se requiere mucha menos fuerza para cortar estos enlaces débiles y Enderece las cadenas.

Capítulo 3 Calcular el radio atómico en cm para el siguiente: (a) de metal con BCCao = 0,3294nm y un átomo por punto de la red, y (b) de metal con FCCao = 4,0862 Å y un átomo por punto de la red. Solución: (a) Para los metales BCC,

(b) Para los metales FCC,

Determine la estructura cristalina de los siguientes: (a) un metal con ao = 4,9489 Å, r = 1,75 Å y un átomo por punto de la red, y (b) un metal con ao = 0,42906 nm, r = 0,1858 nm y un átomo por punto de la red. Solución: Queremos determinar si "x" en los cálculos siguientes es igual a (por FCC) o (para BCC): (a) (x) (4,9489 Å) = (4) (1,75 Å) x =, por lo tanto, la FCC (b) (x) (0,42906 nm) = (4) (0,1858 nm) x =, por lo tanto, BCC La densidad de potasio, que tiene la estructura BCC y un átomo por celosía punto, es 0,855 g/cm3. El peso atómico del potasio es 39,09 g / mol. calcular(a) el parámetro de red, y (b) el radio atómico del potasio.

Un metal que tiene 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 Å . Un átomo está asociado con cada uno punto de la red . Determinar la estructura cristalina del metal. Solución: 2,6 g/cm3 =( x átomos / célula ) ( 87,62 g / mol )( 6.0849 × 10-8 cm) 3 ( 6,02 × 1023 átomos / mol ) x = 4 , por lo tanto, la FCC un metal que tiene 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 Å . Un átomo está asociado con cada unopunto de la red . Determinar la estructura cristalina del metal. Solución: 1,892 g/cm3 = ( x átomos / célula ) ( 132,91 g / mol ) ( 6,13 × 10-8 cm) 3 ( 6,02 × 1023 átomos / mol ) x = 2 , por lo tanto, BCC El indio tiene una estructura tetragonal con ao = 0,32517 nm y co = 0,49459 nm . la densidad es 7,286 g/cm3 y el peso atómico es 114,82 g / mol . ¿Tiene indio la estructura tetragonal o tetragonal centrada en el cuerpo simple? Solución: 7,286 g/cm3 = ( x átomos / célula ) ( 114,82 g / mol ) ( 3.2517 × 10-8 cm) 2 ( 4.9459 × 10-8 cm) ( 6,02 × 1023 átomos / mol ) x = 2 , por lo tanto, BCT ( tetragonal centrada en el cuerpo) el bismuto tiene una estructura hexagonal, con ao = 0,4546 nm y co = 1.186 nm. La densidad es 9,808 g/cm3 y el peso atómico es 208,98 g / mol . determinar ( a) el volumen de la celda unitaria y ( b ) el número de átomos hay en cada celda unitaria . Solución:

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 de 5,904 g/cm3 y el peso atómico es 69,72 g / mol . Determinar: (a ) el número de átomos en cada una celda unitaria y ( b ) el factor de embalaje en la celda unidad . Solución:

El berilio tiene una estructura cristalina hexagonal , con ao = 0,22858 nm y Co = 0,35842 nm . El radio atómico es 0,1143 nm , la densidad es de 1,848 g/cm3 ,y el peso atómico es 9.01 g / mol . Determinar: (a ) el número de átomos en cada celda unitaria y ( b ) el factor de embalaje en la celda unidad . Solución: