Permutación 240033-Materiales. Examen Final (17/01/12) Grupo / Profesor: Nombre: 1) o La siguiente tabla muestra las temperaturas de fusión de cuatro materiales. Identifique el tipo de enlace atómico principal de estos materiales. (0,4 p) a) Acero de bajo carbono, TI= 1530°C. b) Polietileno de baja densidad, T¡=1OO°C. e) Cloruro de Magnesio, T1=714°C. d) Argón, TI= -189°C. Escriba en los recuadros en blanco de la siguiente tabla sus respuestas. 1_I_ó_n_ic_o 2) • A) • B) I_c 1 Metálico lA IB__ ----'-I_v_a_n_d_e_r_w_a_a_ls_......LI.l>~ __ Seleccionar el tipo de constituyente, fase o estado de agregación material, a temperatura ambiente: (1,2p) Solución sólida substitucional Compuesto intermedio '. • C) Polímero amorfo vítreo • O) Aleación heterogénea (mezcla eutéctica) • E) Pollrnero sernicristalino vítreo Respuesta Material Poliestireno (Tg = 100°C) Ledeburita Latón (aleación Cu-Zn) Martensita Polibutileno (Tg = -70°C) Hormigón armado 3) ~ Covalente e b, A F H .¡ • • • •• que corresponde a cada F) Solución sólida intersticial G) Aleación heterogénea (mezcla eutectoide) H) Polímero amorfo gomoso 1) Polímero semicristalino flexible J) Material compuesto Material Respuesta Madera Perlita • PET (Tg=50°C, Tm =254°C) Cementita Austenita PP (Tg = 5°C, Tm = 166°C) .¡ (;r. E B t: T Se pretende escoger un sistema formado por los elementos A y B cuyas aleaciones sean endurecibles por precipitación (maduración). ¿Cuál de los sistemas propuestos seleccionaría? Marque con una "x" su selección. (0,1p) A Y B parcialmente solubles en el estado sólido cuyo diagrama de fases posee un solo punto eutéctico. A y B totalmente solubles en el estado sólido A y B totalmente insolubles en el estado sólido cuyo diagrama de fases en equilibrio posee un solo punto eutéctico A y B totalmente insolubles en el estado sólido cuyo diagrama de fases en equilibrio exhibe un compuesto intermedio. 4) Se pretende fabricar un sistema de filtrado selectivo de gases utilizando una membrana polimérica flexible a temperatura ambiente, Se requiere que la difusión del gas a través de la membrana sea elevada, ¿Cuál de los siguientes mater.iales escogería para fabricar dicha membrana? Marque con una "x" su selección, (0,1 p) Termoestable enfriado a 50°C/min Termoplástico semicristalino enfriado a 1°C/min Termoplástico semicristalino enfriado a 100°C/min Termoestable enfriado a 100°C/min . , Permutación 5) Compare el valor relativo de las propiedades que se enumeran en la tabla adjunta entre el Fe y el Fe304 de acuerdo a los conceptos vistos en clase, marcando con una X en el recuadro adecuado. (0,8p) Pr.opiedad Conductividad térmica Coeficiente de dilatación térmica Capacidad calorífica (por mol) Resistividad eléctrica Módulo elástico Ductilidad Dureza Densidad 6) o Fe~4>.Fe Fe304 =Fé Fe'304 < Fe Esquematice gráficamente la dependencia de la propiedad eléctrica referida con la temperatura para el grupo de materiales que se Indica en cada caso. (O,6p) a) Cu recocido b) Aleación 70Cu:30Zn recocida c) Aleación 70Cu:30Zn con 30% CW a) Si b) Si + 0,001 %at de B e) Si + 0,010 %at de B Temperatura, T (OC) Temperatura, T (0C) .7) La perlita está formada por lÉ~f?i7/L y .?lfI1.é.)OiZíl, donde la cornposrcion quirruca del segundo de estos constituyentes permanece constante durante el enfriamiento en equilibrio hasta temperatura ambiente (0,2p). 8) El parámetro mecánico a tracción conocido como ~iM])" unidad de volumen de material necesario para romperlo. (0,1 p) 9) La "enfermedad o peste del estaño" se debe a la(el) cuantifica la cantidad de energía por .t.ffP..TM,1!0" "" que presenta el estaño. (0,1p) !bLJ l'falfis}fO 10) La dureza de un acero hipoeutectoide suele ser .JlI~li();e""que la de uno hipereutectoide (0,1p) 11) Los polímeros termoestables y los polímeros éL.ASttfNt./.!Zl5. se caracterizan por presentar una arquitectura mqlecular t!ttrJl..E.c/u)M}JA . Los primeros presentan una mayor proporción de ~é71(;R.w.f.q.di(.que los segundos. (0,3p) ---------, ---- ----- J}(= IP~ .])1::: 11. II ~ Permutación 2)0 ::: I~ 35~~ o I 12) Mediante un proceso de trefilado (conformado por deformación plástica) se obtiene una barra de 10,0 mm de diámetro a partir de una barra inicial de diámetro~que se encuentra en estado de recocido. La secuencia de conformado consiste en 2 etapas de deformación en frio (Etapa 1: Do->D1; Etapa 2: D1->DI)' En cada etapa el diámetro sufre una reducción relativa del 10%. El material de partida tiene un módulo elástico de E=11 O GPa y su límite elástico (alE) varía con el porcentaje de trabajo en frio (%CW) según la ecuación: . alE (%CW)= -0,0353 (%CW)2 + 4,091 (%CW) + 60 [en MPaJ Por criterios de diseño y el tipo de servicio a la que estará sometida la barra al final del proceso (DI) se sabe que la misma no puede presentar más de un 35 % de CW. ~~=O • a) b) e) d) e) f) ¿Cuál será la fuerza necesaria para iniciar el proceso de conformado plástico con la barra de diámetro Do? (0.3p) ¿Qué fuerza hay que aplicar para empezar a deformar plásticamente la barra de diámetro DI? (0.4p) Suponga que la Etapa 1 se realiza en caliente y que la Etapa 2 se realiza en frío, ¿Qué cantidad de trabajo en frio tendrá la barra al final del proceso? (0.4p) ¿Qué porcentaje de deformación presentará la barra del apartado anterior (c)) si se le aplica una carga axial de 100 MPa? (0.2p) ¿Qué porcentaje de deformación presentará la barra al dejar de aplicar este valor de carga? Justifique su respuesta. (0.1 p) La temperatura de recristalización del material de la barra acabada (DI), respecto a la de partida, ¿habrá aumentado o disminuido? (0.1p) OBSERVACiÓN: necesario . Todas la respuestas numéricas han de estar justificadas mediante cálculos donde sea a) ~ (i«Al'::o);- 60 NI:. .Ir;- 111.2, J¡ )¡ ~ :t;-J, 1<11 J .~ JI-?<~~-(ó-~t----Q =(- At.;;.AI)" (Od " I t.(ff)j" • Ir»" ~ rfz (1tW::3'f. 391) ""/?"g. "'1 11lk. ~ T~!! . f Ir.:= 12. 'Ir.3 ,"¿' I )V ~ 1";; -5" le: ¡y r . ... 3'1.39%1 f (lJ; <:.3fi%. Ole! V";.e'" 3 RtW'~~t)~or ;Jtaiff~¿J~jt-(tJ1X!aj:: (1,X1 J) r&. (iarY': fli) = ~ eel!6t:co. :: ;;: ~~ e) tÁ¡I<W '? /.2'1; 91 Hfc.. ~ CT-v <: íl;¡; ~ I G¿Wzica:: 1 ~ 0'1( 1.a.y rf!*-~~~?a 1'~~ &~ / aL d¡1Ak tleII1'!"uvc- rr -r €~ct~ ¡) j)~e. k C7#<: íl'a ~~ (i\.,4i :lar/"/ ) I o;;, '" [;. €- %1 . = ofoJ * Permutación o 13) Teniendo en cuenta el diagrama de fases que se adjunta responda a las siguientes preguntas: 13.1) . Identificar las fases (en el diagrama) y las reacciones invariantes (rellene la tabla adjunta). (O,7p) Composición química de las fases que intervienen 13.2) . Se tiene una aleación hipoeutectoide con un 20% de B, y se calienta hasta 1200°C en una atmósfera rica en B hasta disolver la máxima cantidad posible de B. A continuación, se enfría' lentamente hasta temperatura ambiente. La aleación final está formada por las si-guientes fases y en las proporciones que se indican (marque la opción correcta) (O.3p): 100 % de una solución sólida (45%B) 58% solución sólida (5%8) y 42% B puro. 84% solución sólida (5%B), y 16% de B puro. 61 % solución sólida (10%8) Y 39% de B puro. ~ de B 13.3) Se tiene una aleación que a 600°C está formada por un constituyente eutectoide y B proeutectoide. Se calienta y se observa que a 1AOO°C comienza a fundir. La composición química de la aleación es: (marque la opción correcta) (O.2p) 45%deB~ D 75% de B O%deB D 40% de B D 13.4) Se tiene una aleación que a 1600°C + l'.T contiene un 80% de líquido. Calcular la cantidad de líquido que quedará después de que tenga lugar la reacción peritéctica. (O.3p) o%D 53% ~ 47%D V OBSERVACiÓN: Todas la respuestas' numéricas han de estar jusfificadas necesario ~ ~ 1~v J,Ja) " '" 5t" <, I\~~ 1CCo 1:0 " ""'- O tt:<, ...••.. é.- "" •.... 1;.00 \ A ..... "" / r-.. tf3 4(1) lB+- e- r-,/ ~ ~ • ~ %B ó ~ ~ I()O-J¡~ x/(lO ~ --- --m w 13.~ 7' ;f¿T~ o 7\ .:z.o J( X -~ =: ; 0.3 ~ x== 'iíiB 7?-..z.tJ -- ~ ~ -» 7fr~7J~' """'" Ir B ,1/ ,l X ;t 13 = I()O-1:o<. A~ --- e ~ 7w ...••.. a I-J.l~( I ~ ~~I leo _.A O ItJtj-6 I liiJ, .8 o(. ;{ eX::. IJ eL) 6CO mediante cálculos donde sea ~ ~ ~+ ./ ~ 13.:2 -- D Ninguna de las opciones B ¡;-~ ~-A""Jr""-"""'; / -fl) /11 -i"~ tL -= ,,1-"0 ~- 4ft> '~/OO =? j¿-;:::. ?3.j¡t Permutación o 14) Para la construcción del eje de dirección de un coche de Rally, los ingenieros han fabricado la pieza con un acero aplicando un temple desde una temperatura ligeramente superior a la temperatura eutectoide (T Eutectoide + él T). La microestructura resultante contiene un 35% en peso de Ferrita a) La segunda fase constituyente de ...65.' .....% en peso. (O,1p) para este acero es la .I.IA&TéltsffAy se encuentra en una proporción b) Dibuje la microestructura de este acero si hubiese sido enfriado lentamente (en condiciones de equilibrio), respetando en lo posible las proporciones de fases. Use el recuadro indicado. (O.2p) e) Para endurecer la superficie de este acero se realiza un proceso de cementación (difusión de carbono) en una atmósfera con una concentración de C equivalente a la máxima solubilidad de C a la temperat~r, de 1148°C. ¿Cuál es el %-en peso de C en la superficie (%Cs) de la pieza? (O,1p) ~ = en!J tS. J.II ~C d) Sabiendo que a 900°C se produce un endurecimiento óptimo de la pieza al cabo de 140h, ¿Cuánto tiempo se tardaría en obtener el mismo endurecimiento si el proceso se realiza a 1148°C? (O,4p) -4. t, = 4 .é.z? -é..2: -tI" (V s: 9. -9<:.2- ¡ I Respuesta: I t.z ';.IP t d)En este último caso (1148°C) y para el tiempo obtenido en el apartado anterior, ¿Qué proporción de C tendrá la pieza a una profundidad de 2 mm? (O.5p) ex - o.'Ól :: f _ L...J.J( /O-.J J.~/- o.?'f (J Vi .1( 't>-/l)( _) Ley de Fick: 3tD )( o = 1-ferror( A Información que puede ser ut~: Á Según la segunda '() ex - eo c.:c; t Respuesta: ~) z-io. 12 de C en Fe (FCC) a 900 y 1148°C toma los valores de 5,9 X10- Dia rama Fe:.c --- __ --------- 1200 0.18 727'C ó Composición ~, en peso C) e.zc G ~ tI l ,% e I donde cada uno de los parámetros ferror(z) significado visto en clase. En el rango de interés se cumple que: . I 2 1 tiene el == z . El coeficiente de difusión 11 m /s y 8,3x10- m2/s, respectivamente. Permutación o 15) Un comerciante vende cilindros de 20 mm de diámetro y 200 mm de longitud fabricados con un material compuesto por una matriz de polipropileno (Tg=O°C; Tm=164°C) y un 30%-en volumen de una fibra larga indeterminada y orientada en la dirección axial del cilindro. Un ingeniero quiere saber el tipo de fibra con el que está fabricada esta pieza pero sólo conoce que el módulo de Young del material compuesto en la dirección transversal es de 2,14 GPa. De Ios materiales mostrados en esta tabla ~ p (g/cm~) Material Fibra de Vidrio Fibra de Carbono 1.79 el cilindro? I Respuesta: lE rk. ~Abl b) Coste (€/kg) 7.2 72 Polipropileno 0.902 (*) Fibra ensayada en la dirección axial (**) Fibra ensayada en la dirección transversal ~rE'r=.2.~(" ~ e a) ¿Con qué fibra estará fabricado r'2J 1tA- E (GPa) 76 230 axial (*) 144,36 transv. (**) 1.52 2.54 2.5 Justifique numéricamente. -L Ec = v;: ~ 11'H + EM c.¡ ¿En qué dirección el módulo de Young de la pieza será máximo? --L =:!!:- ¡.5.2, ..f.11! + tLF ¿Cuál será su valor? (O.3p) 11 Cc-= 1TH'~ r 11;. 'ér =9 Respuesta: e) P 3 ':f (O.4p) ¿Cuál será el precio estimado del cilindro? (O.2p) I f3espuesta: 1...,2. 53 tt te = 1).11( /.52 +a31(~1) ~ :: 10.1 Gf41 d) Esquematice la curva de tracción ingenieril que presentaría la matriz a temperatura ambiente (20°C) ya-10°C. Identifique adecuadamente los ejes del gráfico. (O.4p) e) Dibuje la curva de fluencia lenta que presentaría a 20°C una pieza fabricada con el material compuesto y compárela con la que presentaría si estuviera fabricada sólo con Polipropileno. Si a tiempo t= O, la pieza de polipropileno muestra un valor de deformación unitaria 1':1 al aplicar un cierto valor de tensión, ¿qué deformación se observaría en la pieza del material compuesto a esa misma tensión? Identifique adecuadamente los ejes del gráfico. (O.4p) OW _ C.1 /" / . CT'# _~' '-'2 .,.~ E - E- Recuerde que en el caso de materiales compuestos preparados con fibral'fargas y alinead~ entre sí, se definen dos valores de módulo elástico, dependiendo de la orientación de la fibra respecto a la dirección de '* ~ = aplicación de la carga. Sus expresiones son - ¡j; E compuesto - fasel V fasel + E v fase2 fase2 Y E 1 compuesto Respuesta d') Curvas,de tracción in. enieril _ vfasel - E + vfase2 E fase I fase2 Respuesta e). Curvas de ~'----~ ..... él ~( é"t &. o Permutación 240033-Materiales. Examen de prácticas Grupo / Profesor: Nombre: (17/01/12) 1) De la siguiente lista de metales, seleccione los que observó en la práctica de metalografía (1 p) Bronce Titanio Cuproaluminio Aleación :::><" Cobre Aluminio .::::-=-::::, de aluminio-silicio Acero perlítico :>C:::::. Acero hipoeutectoide ..><- Acero Latón martensítico 2) En la observación metalográfica que realizó sobre la muestra de fundición se identificaron dos fases en cuanto a color. De acuerdo al diagrama de fases empleado, estas fueron: y (1p) b~'2 pefinidas -rii¡¿R-17A ..~F.i-ro 3) Teniendo en cuenta los datos de la siguiente tabla, ¿Qué material utilizaría para fabricar una pieza de un reactor que estará sometida a un cambio brusco de temperatura, por ejemplo de 500°C a O°C en 1 segundo, sin que presente deterioro? Justifique convenientemente su respuesta. (3p) k o. (OC·1x10·6) Material E Ductilidad (W/m-K) (%) (GPa) p 3 (g/cm ) Tf (0e) A 11,3 5 3 207 7,85 1495 B 10,0 2,0 0,5 152 2500 C 90 0,25 300 60 5,56 2,40 ~ 7; » 5lXJIIC = ~ ~ Jc:.,4 § RESPUEST A JUSTIFICADA: => ~ 7S~::: C7i. k k· ot ~~ ,t tT8 7~ r" 'ff-4) o. * J( C/ ~ / =7 (){.. 330 7; ~ 1-.62ó 7i Oj/B) ~ 7SR.!t-) > /S'~(8)~ e..+ k~ atA O; ~ a¡ .i2:J 4) Se desea verificar que las composición de una mezcla de un Polietileno de alta densidad (HDPE) (p HDPE= 0,953 g/cm3) con un 30 % en peso de un elastómero (p elast.= 1,10 g/cm3) sea la correcta utilizando el método de determinación de densidades empleado en prácticas. Considerando la densidad que se desea determinar, ¿Cuál de los siguientes líquidos de inmersión emplearía de man... ~a que el análisis fuese fiable y lo más barato posible? I(~~ _ Densidad (g/cm") Precio (€Ilitro) A 1,02 12 B 0,95 10 C 0,85 15 Líquido >' (3p) diC«.to ,;UIA- IPIJ f ~ tí' ~kt r-.= ::P l/¿ , .3 :91{=.:!!!- :::.2:f. 021 ~ 1J//53 5) En la siguiente tabla indique las características clave (olor y otra observación) que permite identificar mediante el ensayo de combustión (ensayo a la llama) de las familias de polímero que se especifican. (2p) Familia de polímero Característica clave adicional ~ Halogenado (ejm. PVC) Acrílico (ejm. PMMA) - lit (í) l'l=-.L 11+~ ¿"Hf;c.C4+ -,." 1J• .2~ ; Ir~ ~ :: .::':7 .:iJ' ;¡;; ¡.{ ~~.E. ::: 13.1.¡,C;fk3 ~~ULA d¿;6lPi~o e ~ ::: Vi· 4r =? v;·iz =P 1 13~~ M¿ -? @