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Propiedades térmicas de los materiales David Alonso Hidalgo Olivares Resistencia de los materiales Instituto IACC 05/08/2019

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.

a) Determine la longitud aproximada de la pieza que el maestro tornero logró soldar

Desarrollo: Li: Longitud inicial Lf: Longitud final: 2,5 m α : Coeficiente de dilatación térmica del acero: 3,67x10−3 ∆T: variación de la temperatura: ∆T=T2-T1 8(23°C)-23°C = 161°C Despejando y sustituyendo en la fórmula: Li=Lf/1+ α*∆T Li=2,5m/1+3.67*10−3(161°C) Li=2,5m/1,59087 Li=1,5714m

Esta es la longitud inicial de la pieza de acero mientras que el valor de la longitud de la dilatación es: ∆L=Lf-Li=2,5-1,5714=0,93m.

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 0,8*10-2

respectivamente. Suponga D=3*10-7

𝑑𝑐

⌡= -D𝑑𝑥 𝑐𝑎−𝑐𝑏

⌡=-D𝑘𝑎−𝑘𝑏 𝑐𝑚2

⌡=-3*10−7(

𝑠

𝑐𝑚2

⌡=-3*10−7 (

𝑠

⌡=-0,0000003*

[

)* 1,7*10−2((𝑔/𝑐𝑚3 )-0,8*10−2(g/𝑐𝑚3 ):0,5[cm]-0,8[cm]

) (

(

)* 1,7*10−2-0,8*10−2 :0,3 *

0,009 0,3

*

(

)

)

⌡=9*10−9 El flujo de carbono a atraves de una placa es de ⌡=9*10−9

]

y

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.

El Fenómeno de difusión. Consiste simplemente en que los átomos de un sólido saltan continuamente de una posición en la estructura a otra vecina. Como resultado de la energía térmica, todos los átomos están constantemente vibrando alrededor de su posición de equilibrio. La energía asociado a estas vibraciones térmicas es suficiente para ser que, en condiciones apropiadas, un átomo salte abandonando la posición que ocupaba en la red. Evidentemente la temperatura es un factor importante que determina la posibilidad que ocurra un salto.

Mecanismo de difusión Intersticial

El primer tipo de difusión se basa en la migración de átomos desde una posición intersticial a otra del mismo tipo que está vacía. Este mecanismo se produce en la interdifusión de impurezas tales como hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno, cuyos átomos son lo bastante pequeños para acceder a las posiciones intersticiales. Átomos solventes raramente son intersticiales y normalmente no difunden por este mecanismo. A este mecanismo se le denomina difusión intersticia. En muchos metales y aleaciones la difusión intersticial se produce mucho más rápidamente que la difusión por vacantes puesto que los átomos intersticiales son más pequeños y más móviles. Además, existen más posiciones intersticiales vacías que vacantes, por lo tanto, la probabilidad de movimiento atómico intersticial es mayor que el movimiento por vacantes.

Ejemplo mecanismo de difusión intersticial:

.-La carburización de metales de acero, para darle dureza y tenacidad, por ejemplo, los engranajes, estos se someten a altas temperaturas dentro de una cámara con gases de carbono, que pueden ser Metano, para que mediante la temperatura del engrane se dilate y se deje penetrar por los átomos de carbono(C) y rellenando los espacios intersticiales de los átomos de hierro (Fe)

.-La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo, originando una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor concentración de carbono) 0,2% de carbono. Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someter la pieza durante varias horas a altas temperaturas (típicamente, 900 °C). En estas condiciones, el carbono penetra en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento. A la pieza cementada se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono

Mecanismo de difusión por Vacancia: Las vacancias es un defecto que existe muy comúnmente en los materiales cristalinos, estas crean desorden que se convierte en un aumento de la entropía haciendo que la energía libre del sistema disminuya y en consecuencia la estabilidad termodinámica del material , esto lleva a que el material entre en estado no estacionario permitiendo que sus características físicas puedan ser modificadas a lo largo del tiempo. La auto-difusión se basa en existencia de vacancias dentro de la red atómica, estas permiten que un átomo de la red salte a esta posición dejando así una nueva vacancia. También es importante remarcar que el número de vacancias aumenta con la temperatura creando así un intercambio continuo de las posiciones de átomos y vacancias. Ejemplo de difusión por Vacancia: El proceso de soldadura por difusión, como también la soldadura de punto que une dos metales, que utiliza la electricidad para este proceso, que genera cuando se genera una diferencia de potencial en la unión de estos dos metales que hace que se genere una elevación de temperatura en ese punto que hace que los átomos se muevan de un punto a una vacant e desde un metal a otro, generando que estos dos metales se unan

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.

1. Producción

de

vapor

de alta: La electroobtención, también conocida como

electrodepositación, es uno de los procedimientos actuales más sencillos para recuperar el cobre contenido en soluciones líquidas. El lavado se realiza en primera instancia a mano con agua caliente a presión sobre el nivel de celdas para eliminar el electrolito de la cara rugosa, posteriormente ingresa a la cuba de lavado la cual el vapor termina de sacar las impurezas de los cátodos de cobre y así terminar el enjuague final, nuevamente con agua caliente a presión. El despegue se realiza en forma mecánica hasta formar paquetes de cátodos los que son pesados, enzunchados y despachados a la bodega de tránsito. 2. Fundición de metales: Diversas industrias metalúrgicas operan en base al derretimiento de los metas en grandes hornos industriales, para poder darles forma o fusionarlos con otros (aleaciones).

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.

2.200°C Fase líquida, 14%MgO y 86% NiOFase Sólida: 36%MgO y 64% NiOB) 2.400°C Fase líquida, 34%MgO y 66% NiOFase Sólida: 61%MgO y 39% NiOC) 2.600°C Fase líquida, 61%MgO y 39% NiOFase Sólida: 82%MgO y 18% NiO

Bibliografía Materia de apoyo semana 4 iacc Anderson, J.; Leaver, K.; Leevers, P. y Rawlings, R. (2003). Materials Science for Engineers. 5.a edición. Cheltenham: Nelson Thornes. Askeland, D.; Fulay, P. y Wright, W. (2012). Ciencia e ingeniería de materiales. 6.a edición. México: Cengage Learning Editores S. A. Callister, W. (2007). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 6.a edición. Barcelona: Reverté. Güemes, A. y Martín, N. (2012). Ciencia de materiales para ingenieros. Madrid: Pearson Educación Mangonon, P. (2001). Ciencia de materiales Selección y diseño. México: Pearson Educación. Serway, R.; Vuille, C. y Faughn, J. (2009). College Physics. 8.aedición. Belmont: Brooks/Cole - Cengage Learning.