Serie Tecno

8/14/2019 Serie Tecno

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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 utilizaracerámica (vidrio de ventana tradicional), las piedras y los pájaros pudieran

romperla. Diseñe un material que minimice los daños o por lo menos impida que lacabina se rompa

Debería ser un material que fuese una mezcla de plástico y vidrio que reúna la ligerezadel 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 podríapensarse en los llamados vidrios de seguridad que se componen de dos hojas de vidrio yentre ambas una red metálica muy fina e imperceptible a simple vista.E incluso podríausarse 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 latemperatura. Explicar detalladamente su funcionamiento. ¿Que material elegiríapara la fabricación del indicador porque y porque no otros?

Los materiales son muy buenos conductores del calor debido a que existe un número muyelevado de electrones libres que participan en la conducción térmica. Esto provoca que laespiral metálica se dilate una cantidad específica con un pequeño aumento detemperatura. El material indicado podría ser un metal de alta pureza, o bien aleacionesFe-Co o Fe-Ni, las cuales tienen un coeficiente de dilatación elevado y evitan lastensiones térmicas y las roturas.

6) Nos gustaría producir un toldo transparente para una aeronave. Si tuviéramosque utilizar una cerámica (es decir, vidrio de ventana tradicional) ,las rocas o lasaves podrían provocar que se hiciera añicos. Diseñar un material que reduzca almínimo el daño o al menos mantener el dosel se rompa en pedazos.

Solución: Podríamos insertar una hoja delgada de un polímero transparente entre doscapas 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 metalen 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 laspropiedades importantes que el material en el indicador debe poseer ?

Solución: materiales bimetálicos son producidos por unión que tiene dos materialesdiferentes coeficientes de expansión térmica entre sí , formando una laminar compuesto.Cuando los cambios de temperatura, uno de los materiales se expandirá o contraerá más



dúctiles (moldeables) y frágiles, de ahí que se construyan tejas y se soporten sobre unarmazón de aluminio que es un metal resistente y poco pesado.

14 ) Se necesita separar físicamente distintos materiales en una planta de reciclajede chatarra. Describe algunos métodos posibles que se podrían utilizar para

separar polímeros, aleaciones de aluminio y acero ,según las propiedades físicasde 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 delresto ya que éste contiene Fe en su composición y, en muchos casos, leproporciona propiedades magnéticas. Los otros dos materiales no son magnéticospero 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 quedaadherido a los electrolitos debido a sus propiedades eléctricas, mientras que lospolímeros quedarían en la disolución (materiales aislantes)

c) Por diferencia de densidadIntroduciendo los materiales en una disolución o una corriente de líquido seobserva que los más densos serán los primeros en caer (precipitar). De estaforma, 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 unavión. Explique brevemente los materiales empleados durante la historia de laaeronáutica y que adelantos han ido introduciendo.

A la hora de diseñar el ala de un avión es importante utilizar materiales los cuales seanmuy resistentes (alta resistencia a la presión y a la temperatura), duros, que seanmateriales ligeros, que proporcionen alta resistencia al calor y al desgaste, que poseanpoca fricción y aislantes. Actualmente los materiales adecuados que se usan a la hora dela 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 fibrasde 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 usanmayoritariamente fibras, ya que el níquel y aluminio son fácilmente corrosivos y podríanestropearse más fácilmente, y además son más pesados que las actuales fibras.

Estos materiales tienen unas propiedades físicas y mecánicas muy variadas. Elinconveniente de estos materiales compuestos es que son muy costosos, aunque en estetipo de vehículos que de por si son muy costosos no es un grave problema, ya que porotra parte son los más adecuados.



Capítulo 2

2) Utilizando las densidades y pesos atómicos que se dan en el apéndice a, calculey compare el número de átomos por centímetro cubico

En plomo y litio

Plomo: densidad 11,34 gr/cm3 y masa atómica 207,2 gr/molLitio: densidad 0,53 gr/cm3 y masa atómica 6,941 gr/molsiendo 1 mol de átomos = 6,02·10^23 átomos (nº de Avogadro) el número de átomos quecaben por cm3:(densidad/masa) para saber el número de moles en un cm3el resultado lo multiplico por el número de Avogadro para saber el número de átomosLuego: nº átomos = (densidad/masa)·AvogadroEn el caso del Plomo nº átomos = 3,3·10^22 átomosLitio 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/molcomo 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, pesaalrededor de 0,3 g por pulgada cuadrada. Cuantos átomos de aluminio seencuentran 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 un0,002 pulgadas de espesor de capa de níquel, (a) se requiere el número de átomosde 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 energía4f 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) x49 - (2 2 6 2 6 10 2 10 6 0) = 3Por lo tanto el nivel 5sp exterior debe ser:5s25p1 o valencia = 3

12) La carga eléctrica se transfiere en metales mediante el movimiento deelectrones de valencia. Cómo muchos potenciales portadores de carga son allí enun 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. Laelectronegatividad de níquel es de aproximadamente 1,8.

Solución: La electronegatividad de Al es de 1,5, mientras que la de Ni es 1,8. Estosvalores 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 donarestos.

16) La grafica de la temperatura de fusión de los elementos de la columna 1A de latabla periódica está en función del número atómico (es decir, temperaturas defusión a través de la trama de Li Cs). Discutir esta relación, basada en la uniónatómica 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 unátomo de carbono de radio de 0,77 × 10-8 cm en el centro y los átomos dehidrógeno de radio 0,46 × 10-8 cm en cuatro de las ocho esquinas. Calcular eltamaño 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 delos 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 lacorrosión ¿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 semiconductorcompuesto de haber mezclado enlace iónico y covalente. Estimar la fracción de launión 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 enlacesmetálicos

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 dilatacióntérmica 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 encomparación con la de los metales y cerámicas.

Solución: Las cadenas de polímeros se llevan a cabo con otras cadenas de Van derWaals, que son mucho más débiles que los enlaces iónicos, metálicos, y covalente. Paraesta razón, se requiere mucha menos fuerza para cortar estos enlaces débiles y Enderecelas 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 unátomo 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) elparámetro de red, y (b) el radio atómico del potasio.



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 cadauna 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 elpeso atómico es 9.01 g / mol . Determinar: (a ) el número de átomos en cada celdaunitaria y ( b ) el factor de embalaje en la celda unidad .

Solución:

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