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Tarea Semana 4 Propiedades térmicas de los materiales Antonio Soto Avendaño Resistencia de los Materiales Instituto IACC 07-09-2020

Desarrollo 1. En un taller de tornería se está fabricando el eje trasero de un carro de arrastre. Para efectos de aprovechar todo el material disponible, el tornero decide soldar una pieza de acero para llegar al largo requerido, que es de 2,5 [m], todo esto a temperatura ambiente (23 °C). La soldadura permite obtener las dimensiones deseadas, pero provoca que la pieza aumente su temperatura inicial en 8 veces, por lo que su enfriamiento rápido es inminente para obtener un buen forjado de la aleación, y es por ello que la pieza se sumerge en un recipiente de cal. Determine la longitud aproximada de la pieza que el maestro tornero logró soldar. Datos: α = 3,67 x 10-3 (°C-1) Coeficiente de dilatación térmica del acero. Lf = 2,5 (m) Largo final de la pieza requerida. Ti = 23 (°C) Temperatura inicial Tf = 184 (°C) Temperatura final Li = ??? Largo inicial de la pieza se desconoce. Al reemplazar en la formula tenemos que: Lf – Li = α * Li * (Tf – Ti) Lf = α * Li * (Tf – Ti) + Li 2,5 (m) - Li = 3,665 x 10-3 (°C-1) * Li (184 (° C) – 23 (°C)) 2,5 (m) - Li = 3,665 x 10-3 (°C-1) * 161 Li 2,5 (m) - Li = 0,59 Li 2,5 (m) = 0,59 Li + Li 2,5 (m) = 1,59 Li Li = 1,57 (m) Respuesta: entonces el largo inicial de la pieza de acero es de 1,57 (m). Además, por lo que podemos determinar la diferencia entre la longitud inicial y final de la pieza de acero, como sigue: ΔL = Lf - Li = 2,5 - 1,5714 = 0.93 (m)

2. Calcule el flujo de carbono a través de una placa que sufre procesos de carburización y descarburización a una temperatura de 650 °C. Las concentraciones de carbono a una distancia de 0,5 [cm] y 0,8 [cm] por debajo de la superficie carburizada son 1,7×10-2 [g/cm3] y 0,8×10-2 [g/cm3], respectivamente. Suponga D = 3×10-7 [cm2 /s]. Datos: T = 650°C xa = 0,5 (cm) distancia a xb = 0,8 (cm) distancia b ca = 1,7*10-2 (g/cm3) concentración a cb = 0,8*10-2(g/cm3) concentración b D = 3*10-7(cm2/s) difusividad

Solución: Dada la fórmula de velocidad de difusión J = −D

J=

-7

-D

Ca−Cb Xa− Xb

J = -3*10 (cm /s) 2

dc reemplazando los datos: dx

g g )−0,8∗10−2( )) cm3 cm3 (0,5)−0,8 (cm)

(1,7∗10−2(

¿ J = -3*10-7 (cm2/s) −0,009( g /cm3)¿ 0,3(cm) = -3*10-7(cm2/s) * -0,03 (g/cm4) J = -(- 9* 10-9 (g/cm2s)) J = 9* 10-9 (g/cm2s)

Respuesta: El flujo es de 9* 10-9 (g/cm2s)

3. Desarrolle un ejemplo para cada mecanismo de difusión estudiado. Indique, además, cuál es la ventaja de usar ese tipo de difusión y no otro. Justifique su respuesta.

La difusión es un proceso por el cual los átomos, iones o moléculas se mueven de un lugar a otro en la materia. Los procesos de difusión suceden en estado sólido, líquido o gaseoso.

3.1.- La difusión por vacancia sucede cuando un átomo puede moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra por las vibraciones térmicas de los átomos. A mayor temperatura mayor difusión por vacancia, necesitan mayor energía de activacion. Está presente mayormente en los metales como el Hierro, por ejemplo.

3.2.- La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas ocurre cuando los átomos se mueven de un intersticio a otro contiguo al primero, pero no desplazan de forma permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Este tipo de difusión es más rápida que la difusión por vacancia, ya que los átomos son más pequeños y para este tipo de difusión la energía de activación es menor. Un ejemplo de esta difusión es la aleación del acero con el carbono en los engranajes ya que el acero endurece a mayor cantidad de carbono que tenga.

4. Entregue dos ejemplos de aplicaciones industriales en donde se empleen los cambios de fase de los materiales. Explique cuáles son los cambios de fase relevantes para esa aplicación e indique la razón de su uso. Justifique su respuesta.

4.1.- Una aplicación en la industria que se utiliza mucho son las soldaduras. El proceso de la soldadura consiste en la fusión de uno o más metales, por medio de una reacción química a gran temperatura, lo que permite unir las piezas metálicas cuando estas se encuentran menos sólidas por el proceso, y luego al enfriarse vuelven a solidificarse juntas. Acá el cambio de fase es de solido a líquido y viceversa.

4.2.- Otra aplicación es el manejo de gases. Muchos gases que son inflamables, como el butano o propano, son sometidos a grandes presiones para llevarlos al estado líquido, y así su manejo, manipulación y transporte se hace mucho más fácil. Acá el proceso es de líquido a gas (condensación).

5. A partir del diagrama NiO-MgO, determine las composiciones tanto en fase sólida como líquida a las siguientes temperaturas: 2.200 °C, 2.400 °C y 2.600 °C. Considere una aleación NiO-40%.

La figura muestra un diagrama de fases con las líneas de intersección y composiciones de fases para una aleación NiO - MgO a varias temperaturas. De esto podemos concluir lo siguiente:  A 2200°C por la curva inferior (sólido) se tiene una composición de 80% MgO  A 2200°C por la curva superior (líquido) se tiene una composición de 20% NiO  A 2400°C por la curva inferior (sólido) se tiene una composición de 60% MgO  A 2400°C por la curva superior (líquido) se tiene una composición de 50% NiO  A 2600°C la aleación se encuentra en fase líquida a una composición de 40%MgO y 60%NiO

Bibliografía

IACC (2019). Propiedades térmicas de los materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 4