1. ¿Qué estudia la ciencia e ingeniería de materiales?

La ciencia de los materiales implica investigar la relación entre la estructuray las propiedades de los materiales. En cambio la ingeniería de los materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades.

2. Explique la clasificación de los materiales?

MetalesNormalmente los materiales metálicos son combinaciones de elementos metálicos. Tienen gran número de electrones deslocalizados, que no pertenecen a ningún átomo en concreto. La mayoría de las propiedades de los metales se atribuyen a estos electrones. Los metales conducen perfecta mente el calor y la electricidad y son opacos a la luz visible; la superficie metálica pulida tiene apariencia lustrosa. Además, los metales son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales.

CerámicasLos compuestos químicos constituidos p o r metales y no metales (óxidos, nitruros y carburos) pertenecen al grupo de las cerámicas, que incluye minerales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo general se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son más resistentes que los metales y los polímeros. Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son duras y muy frágiles.

PolímerosLos polímeros comprenden materiales que van desde los familiares plásticos al caucho. Se trata de compuestos orgánicos, basados en el carbono, hidrogeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad.

Materiales compuestosSe han diseñado Materiales compuestos formados por más de un tipo de material. La fibra de vidrio, que es vidrio en forma filamentosa embebido dentro de un material polimérico, es un ejemplo familiar. Los materiales compuestos están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. La fibra de vidrio es mecánicamente resistente debido al vidrio, y flexible debido al polímero. La mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos.

SemiconductoresLos semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos. Las características eléctricas de los semiconductores son extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos de impurezas. Estas concentraciones se debenControlar en regiones espaciales muy pequeñas. Los semiconductores posibilitan la fabricación de los circuitos integrados que han revolucionado, en las últimas décadas, las industrias electrónica y de ordenadores.

3. Explique a que se refiere el diagrama hierro carbono?

De acuerdo con su composición, las aleaciones hierro – carbono se dividen, usualmente, en tres

categorías:

1. Hierros, en los que el contenido de carbono es muy bajo y su efecto sobre las propiedades

ordinarias es despreciable.

2. Aceros, cuyo contenido de carbono es importante. Usualmente se encuentran en el intervalo

de 0.010% a 1.5% con un valor máximo de 2.0%.

3. Fundiciones, en las que el contenido de carbono es tal que haga que se solidifique parte del

líquido en la composición eutéctica. El contenido mínimo de carbono es, por lo tanto, de

aproximadamente 2.0%, mientras que el máximo práctico es de, aproximadamente, 4.5%.

El intervalo de acero se subdivide aún más con base al contenido de carbono eutectoide (0.8%

de C). Los aceros que contienen menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en

tanto que los que contienen de 0.8 a 2.0% de C se llaman aceros hipereutectoides. El intervalo

de hierro fundido también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3% de

C).

Los hierros fundidos que contienen menos del 4.3% de C se conocen como hierros fundidos

hipoeutécticos, en tanto que los que contienen más del 4.3% de C se llaman hierros fundidos

hipereutécticos.

Fuente: A.P. Guliaev. Metalografía, tomo 1. Pág. 165

4. Que tipos programas de modelado para el diseño mecánico conoce y cuáles son sus

características?

Autocad Mechanical:

Inventor

Solid Works

5. Que programas para el análisis de elementos finitos conoce y explique cuáles son sus

ventajas, desventajas y cuál es el más comercial?

6. Deducir el momento de inercia respecto al centro de gravedad de una esfera?

Dividimos la esfera en discos de radio x y de espesor dz. El momento

de inercia de cada uno de los discos elementales es

12

x2dm

La masa de cada uno de los discos es

dm= M43

π R3π x2 dz=3 M

4 R3 x2 dz

El momento de inercia de la esfera, es la suma de los momentos de inercia de

todos los discos elementales.

I c=∫ 12

x2 dm=∫−R

R 12

x2 3 M4 R3 x2dz=¿ 3 M

8 R3 ∫−R

R

x4 dz ¿

Para resolver la integral tenemos que relacionar la variable x con la z. Como

vemos en la figura x2+z2=R2

I c=3M8R3 ∫

−R

R

(R2−z2)2 dz=3 M8 R3 ∫

−R

R

(R4−2 R2 z2 +z4)dz

I c=25

M R2

7. Que es un producto de inercia?

8. ¿Qué es el tamaño de grano y cuáles son los principales métodos para medir el mismo?

Explíquelos.

En mineralogía, un grano (cristalita) es la estructura de una roca formada por pequeños

elementos perceptibles a simple vista. Cada uno de estos elementos es un grano.

Los principales métodos para medir el tamaño del grano son:

Método de comparación

Mediante el método de prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la muestra en

estudio y entonces se designa el tamaño de grano del metal por el número correspondiente al

número índice del patrón mixto; se tratan de manera semejante, en cuyo caso se acostumbra

especificar el tamaño de granos en términos de dos números que denota el porcentaje

aproximado de cada tamaño presente. El método de comparación es más conveniente y bastante

preciso en muestras de granos de ejes iguales.

El número de tamaño de grano "n" puede obtenerse con la siguiente relación: N=2 n -1

Método planimétrico

Es el más antiguo procedimiento para medir el tamaño de grano de los metales. El cual consiste

en que un circulo de tamaño conocido (generalmente 19.8 mm f, 5000 mm2 de área) es

extendido sobre una rnicrofotografia o usado como un patán sobre una pantalla de proyección.

Se cuenta el número de granos´ que están completamente dentro del círculo n1 y el número de

granos que interceptan el circulo n2 para un conteo exacto los granos deben ser marcados

cuando son contados lo que hace lento este método.

Métodos de intercepción

El método de intercepción es más rápido que el método planimétrico debido a que la

microfotografía o patrón no requiere marcas para obtener un conteo exacto. El tamaño de grano

se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio, o por fotomicrografía o sobre

la propia muestra, el número de granos interceptados por una o más líneas rectas. Los granos

tocados por el extremo de una línea se cuentan solo como medios granos. Las cuentas se hacen

por lo menos en tres posiciones distintas para lograr un promedio razonable. La longitud de

líneas en milímetro, dividida entre el número promedio de granos interceptados por ella da la

longitud de intersección promedio o diámetro de grano. El método de intersección se

recomienda especialmente para granos que no sean de ejes iguales.

9. ¿Cómo influye el tamaño del grano en las propiedades mecánicas y químicas?

10. Utilizando el método de intercepción, determine el tamaño promedio de grano en

milímetros de la microestructura que se presenta en la figura 1. Utilice por lo menos siete

segmentos. b) Estime el tamaño de grano ASTM para este material. Realice el mismo

procedimiento para la figura 9.25

Numero de granos promedio = 8,14

Medida de las rectas 500 µm

Tamaño de grano= 61,42 µm

Número de granos

10887897

Figura 1

11. Averiguar y nombrar la mayor cantidad de microestructuras que se presentan en los aceros.

Pueden tomar como referencia el capítulo 9, Callister y también utilizar internet.

Austenita es el nombre dado a la solución sólida y (gamma). Es una solución sólida

intersticial de carbón disuelto en hierro y (FCC). La máxima solubilidad es del 2% de C

a 1130°C. Las propiedades promedio son: resistencia tensil, 150,000 psi; elongación,

10% en 2 pulgadas; dureza 40 Rockwell C, aproximadamente; y tenacidad, alta.

Generalmente no es estable a la temperatura ambiente, y su microestructura se muestra

en la figura.

Figura Microestructura de la Austenita (500x)

Numero de granos promedio = 6,86

Medida de las rectas 500 µm

Tamaño de grano= 72,92µm

Numero de granos promedio = 4,00

Medida de las rectas 150 µm

Tamaño de grano= 37.5µm

Numero de granos

8585967

Numero de granos

4346434

Fuente: Sydney Avner. Introducción a la metalurgia física Pág. 239

La cementita o carburo de hierro, fórmula química Fe3C, contiene 6.67% de C y

93,33% de Fe por peso. Es un compuesto intersticial típicamente duro y frágil de baja

resistencia tensil (aproximadamente 5000psi), pero de alta resistencia compresiva. Es

la estructura más dura que aparece en el diagrama hierro carbono. Su estructura

cristalina es ortorrpombica.

Ferrita es el nombre dado a la solución sólida α (alfa). Es una solución intersticial de

un pequeña cantidad de carbón disuelto en hierro alfa (BCC). La máxima solubilidad es

de 0.025% de C a 723°C, y disuelve sólo 0.008% de C a temperatura ambiente. Es la

estructura más suave que aparece en el diagrama.

Perlita es la mezcla eutectoide que contiene 0.80% de C y se forma a 723 °C a un

enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y

cementita. Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y 13.5% de cementita.

La figura 10 muestra la fina mezcla tipo huella dactilar, llamada perlita. La base o

matriz ferrítica blanca que forma la mayoría de la mezcla eutectoide contiene delgadas

placas de cementita. Las propiedades promedio son: resistencia tensil, 120,000 psi;

elongación, 20% en 2 pulgadas; dureza, 20 Rockwell C.

Martensita es la fase endurecida del acero, la cual es obtenida por el enfriamiento de la

austenita lo suficientemente rápido para atrapar átomos de carbono dentro de la matriz

cúbica de hierro, cambiándola a una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Al ser

observada en el microscopio, en su sección transversal, tiene forma circular o de agujas.

Debe añadirse que dichas agujas aparecen sólo claramente cuando el porcentaje de

carbono es alto siendo en otro caso la apariencia más parecida a hebras de paja

amontonada.

Su dureza depende del porcentaje de carbono que tenga en solución, y está comprendida entre

40 y 67 HRC, aproximadamente.

Ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita; contiene 4.3% de C y se

forma a 1130oC. Es el constituyente eutéctico que se forma al enfriar la fundición

líquida de 4.3% C desde 1145°C. Está formada por 52% de cementita y 48% de

austenita de 2% de C. La ledeburita no existe a temperatura ambiente en las fundiciones

ordinarias debido a que en el enfriamiento se transforma en cementita y perlita; sin

embargo en las fundiciones se pueden conocer la zona donde existió la ledeburita por el

aspecto eutéctico con que quedan las agrupaciones de perlita y cementita.

La bainita es una microestructura que se forma cuando la austenita es enfriada lo

suficientemente rápido para evitar la formación de perlita, pero el enfriamiento es

retardado lo suficiente para evitar la formación de martensita.

Los detalles microestructurales de la bainita son tan finos que su resolución sólo es posible

mediante el microscopio electrónico. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas

alargadas de cementita. La fase que rodea las agujas es martensita. La bainita tiene algunas

propiedades de dureza de la martensita y algunas propiedades de tenacidad de la perlita.

12. En el siguiente diagrama indique las diferentes fases y punto eutéctico, además averigue

como es su microestructura.

13. ¿Qué es cementación y a que tipos de aceros se les realiza? Explique los tipos

La cementación es un tratamiento termoquímico que se aplica en piezas de acero. El proceso

aporta carbono a la superficie mediante difusión, que se impregna modificando su composición.

Aceros para cementación al carbono: Cementación a 900 °C - 950 °C, primer temple a 880 °C - 910 °C en agua o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C en agua. Revenido a 200 °C como máximo. Aplicaciones: Piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa tenacidad en el núcleo.

Aceros para cementación al Cr-Ni de 125 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación a 850 °C - 900 °C, primer temple a 900 °C - 830 °C en aceite, segundo temple a 740 °C - 780 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.Aplicaciones: Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores. Engranajes, levas, etc.

Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación a 890 °C - 940 °C, primer temple a 870 °C - 900 °C

en aceite, segundo temple a 790 °C - 820 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.Aplicaciones: Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes, levas, etc.

Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf/mm2: Tiene en su composición un 0,65% de Cr, un 4% de Ni y un 0,25% de Mo. Cementación a 880 °C - 930 °C, primer temple a 830 °C - 860 °C con aire o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C con aceite. Revenido a 200 °C como máximo.Aplicaciones: Piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial. Máquinas y motores de máxima responsabilidad, ruedas dentadas, etc.

14. En función del diagrama de fases realice un cuadro de la aplicación de los aceros en la

industria.