Materiales - Universitat Politècnica de Catalunya

Última modificación: 20-05-2016
240033 - Materiales
Unidad responsable:
240 - ETSEIB - Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona
Unidad que imparte:
702 - CMEM - Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica
Curso:
2016
Titulación:
GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES (Plan 2010). (Unidad docente
Obligatoria)
GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA (Plan 2010). (Unidad docente Obligatoria)
Créditos ECTS:
4,5
Idiomas docencia:
Catalán, Castellano
Profesorado
Responsable:
Santana Perez, Orlando
Otros:
Alcala Cabrelles, Jorge
Fernandez Aguado, Enrique
Maspoch Ruldua, Maria Lluïsa
Calero Martinez, José Antonio
Santana Perez, Orlando
Competencias de la titulación a las cuales contribuye la asignatura
Específicas:
1. Conocimiento de los fundamentos de ciencia, tecnología y química de materiales. Comprender la relación entre la
microestructura, la síntesis o procesado y las propiedades de los materiales.
Metodologías docentes
Durante el curso se imparten clases teóricas, de problemas y prácticas de laboratorio, así como aprendizaje autónomo,
relacionándose los conocimientos adquiridos en la práctica con los fundamentos teóricos. Se realizan dos exámenes y una
presentación final de curso.
Horas presenciales:
Teoría + problema: 33 h (3h/semana = 2 sesiones de 1.5h)
Laboratorios: 12 h (4 sesiones de 3 horas, 1 sesión por semana. Grupos de hasta 15 estudiantes).
Objetivos de aprendizaje de la asignatura
Al finalizar el curso el estudiante habría de ser capaz de:
- Discernir y relacionar la estructura de los materiales con sus propiedades físicas y mecánicas.
- Adquirir conocimientos respecto a los criterios para seleccionar el tipo de material atendiendo a sus propiedades más
relevantes de cara a su aplicación industrial.
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Horas totales de dedicación del estudiantado
Dedicación total: 112h 30m
Horas grupo grande:
36h
32.00%
Horas grupo mediano:
0h
0.00%
Horas grupo pequeño:
9h
8.00%
Horas actividades dirigidas:
0h
0.00%
Horas aprendizaje autónomo:
67h 30m
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60.00%
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Contenidos
Tema 1: INTRODUCCIÓN
Dedicación: 3h 30m
Grupo grande/Teoría: 1h 30m
Aprendizaje autónomo: 2h
Descripción:
- Presentación de la asignatura y entrega de hoja sobre información referente a evaluación y calendario previsto.
- Familias de materiales y propiedades principales.
- Relacionar familia de materiales con el tipo de enlace que presentan.
- Materiales cristalinos (metales y cerámicos) y materiales amorfos (vidrios y polímeros*).
- Relacionar el tipo de familia de materiales y la densidad en términos de elementos que los conforman y tipo de
enlace dominante.
Tema 2: ESTRUCTURA DE METALES Y
CERÁMICOS
Dedicación: 4h 30m
Grupo grande/Teoría: 1h 30m
Aprendizaje autónomo: 3h
Descripción:
- Densidad "teórica" vs. Densidad "experimental" en metales y cerámicos (materiales cristalinos).
- Etapas del proceso de solidificación en metales y cerámicos cristalinos.
- Defectos en la red cristalina: Puntuales (vacantes, intersticiales, impurezas sustitucionales e intersticiales),
lineales (Dislocaciones) y de superficie (volumen) (Bordes de granos, límites de maclas, poros, etc.)
- Temperaturas de transición de estados en materiales: Temperatura de cristalización (Tc), Temperatura de
fusión (TF) y Temperatura de Transición vítrea (Tg)
- Transformaciones de fases en estado sólido: Alotropía.
Tema 3: ESTRUCTURA DE POLÍMEROS
Dedicación: 13h
Grupo grande/Teoría: 3h
Grupo pequeño/Laboratorio: 3h
Aprendizaje autónomo: 7h
Descripción:
- ¿Qué es un polímero?. ¿Cómo se obtienen?. Tipos de Polimerización: En cadena (Adición), por pasos
(Condensación). ¿Qué es un copolímero?
- ¿Cuán larga es una cadena?. Masas moleculares en polímeros.
- Identificar los tipos de arquitectura molecular: lineal, ramificada y entrecruzada (reticulada). Relacionar con
propiedades que presentan.
- Clasificar los tipos de polímeros atendiendo a la relación arquitectura molecular-comportamiento térmico:
Termoplásticos, Termoestables y Elastómeros.
- Estructura cristalina en polímeros.
- Identificar los diagramas de estados de agregación (líquido viscoso, gomoso, sólido flexible y vítreo) en función
de la temperatura y masa molecular para los distintos tipos de polímeros (Termoplásticos, Termoestables y
Elastómeros).
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Tema 4: EL PROCESO DE DIFUSIÓN EN
MATERIALES
Dedicación: 4h 30m
Grupo grande/Teoría: 1h 30m
Aprendizaje autónomo: 3h
Descripción:
- ¿Por qué se presenta la difusión?
- Tipos de difusión: por vacante, intersticial.
- Definir la 1ª y 2ª Ley de Fick: Difusión estacionaria y no estacionaria. Coeficiente de difusión. Aplicación en
problema práctico.
- Factores que afectan la difusión: Tipo de red cristalina y Temperatura
- Difusión en metales, cerámicos y polímeros.
Tema 5: CONSTITUCIÓN DE ALEACIONES
Dedicación: 3h 30m
Grupo grande/Teoría: 1h 30m
Aprendizaje autónomo: 2h
Descripción:
- Definición de aleaciones. Tipos de aleaciones (homogéneas y heterogéneas)
- Diferencias entre: material puro, soluciones sólidos (sustitucional e intersticial) y compuestos. Curvas de
calentamiento que presentan.
- Criterios de solubilidad en sólidos: Reglas de Hume-Rothery.
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Tema 6: DIAGRAMAS DE FASES EN EQUILIBRIO
Dedicación: 20h 30m
Grupo grande/Teoría: 4h 30m
Grupo mediano/Prácticas: 1h 30m
Grupo pequeño/Laboratorio: 3h
Aprendizaje autónomo: 11h 30m
Descripción:
- ¿Cómo se construyen?. Enfriamiento en equilibrio (muy lento)
- ¿Cómo se analizan los diagramas de fases BINARIOS?:
o Identificar fases existentes en función de la temperatura.
o Composición química de las fases en función de la temperatura (Regla I): ¿Cuánto del elemento A y cuanto del
elemento B hay en la fase?.
o Proporción de fase existente a una temperatura determinada (Regla II, palanca inversa): ¿Qué cantidad de la
aleación forma la fase?
- Consecuencias de un enfriamiento fuera del equilibrio (segregación química, gradientes cristalinos).
- Diagramas de fases entre elementos con solubilidad limitada y con compuestos intermetálicos.
Transformaciones
- ¿Qué es una reacción invariante? . Tipos de reacciones invariantes: EUTECTICA, PERITECTICA, EUTECTOIDE,
PERITECTOIDE.
- Análisis de la solidificación de diversos tipos de aleaciones en un diagrama de fases con reacciones invariantes:
curvas de enfriamiento/calentamiento, evolución microestructural y análisis cuantitativos (composición química y
proporción de fases).
- Diagrama de fases Fe-C: Aceros, fundiciones. Transformación martensítica.
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Tema 7: PROPIEDADES MECÁNICAS DE
MATERIALES
Dedicación: 22h 30m
Grupo grande/Teoría: 6h
Grupo mediano/Prácticas: 3h
Aprendizaje autónomo: 13h 30m
Descripción:
- ¿Qué es la tensión y la deformación?
- ¿Qué características tiene un ensayo de tracción?, ¿Qué diferencia hay entre una curva de Tensión-Deformación
"Ingenieril" y una "Verdadera"?
- ¿Cuáles son los parámetros empleados para cuantificar las propiedades mecánicas en los distintos regímenes de
deformación?
o Régimen Elástico:
¿ ¿Qué lo caracteriza?
¿ ¿Qué es el Módulo Elástico y cuál es el sentido físico?, ¿Cuál es la tendencia en función de la familia de
material?
¿ ¿Qué es el coeficiente de Poisson y cuál es el sentido físico?
¿ ¿Qué es la resiliciencia?
o Régimen plástico:
¿ ¿Qué lo caracteriza?
¿ ¿Qué es el Límite Elástico y qué sentido físico tiene?
¿ ¿Qué es la Resistencia a la Tracción?
¿ ¿Qué es la Ductilidad y la Acritud?, ¿Qué es una fractura "Frágil" y una fractura "Dúctil"?, ¿Cuál es la tendencia
en función de la familia de material?
¿ ¿Qué es la Tenacidad a tracción?
- ¿Qué son los ensayos de Dureza?, ¿Cuál es la tendencia en función de las familias de material?, ¿Qué ventajas
tiene respecto a los ensayos de Tracción?
- Mecanismos de deformación plástica y endurecimiento en materiales cristalinos. Tratamiento térmico de
restauración y recocido. Diseño de conformado plástico en metales (Trabajo en frío).
- Curvas tensión vs. deformación ingenieril y mecanismos de deformación en materiales poliméricos. Parámetros
moleculares que influyen en el comportamiento.
- Termofluencia y fluencia lenta en materiales.
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Tema 8: CONTROL DE PROPIEDADES
ELÉCTRICAS, MAGNÉTICAS Y TÉRMICAS EN
MATERIALES
Dedicación: 16h
Grupo grande/Teoría: 4h 30m
Grupo pequeño/Laboratorio: 3h
Aprendizaje autónomo: 8h 30m
Descripción:
Comportamiento magnético de materiales:
- ¿Qué parámetros se emplean para cuantificar el comportamiento magnético de materiales?: Susceptibilidad
magnética, permeabilidad magnética, Magnetización.
- ¿Cuáles son los características de los diferentes tipos de magnetismo?: Diamagnetismo, Paramagnetismo,
Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo y Antiferromagnetismo
- Efecto de la temperatura en el comportamiento magnético: temperatura de Curie
- Curvas de HISTERESIS en materiales ferro y ferrimagnéticos Parámetros que lo cuantifican: Remanencia,
Coercitividad.
Conductividad eléctrica de materiales:
- ¿Cuáles son los tipos de conducción?. ¿Qué establece la teoría de bandas de energía?, ¿Cómo se explica la
conducción por esta teoría?: Materiales conductores, semiconductores y aisladores
- ¿Cuáles son los factores que afectan la conductividad en un conductor?
- ¿Qué es un semiconductor intrínseco y un semiconductor extrínseco (Tipo P y Tipo N)?
- ¿Cuál es el efecto de la temperatura y la concentración de impurezas en un semiconductor?
- Conductividad eléctrica en Metales, cerámicos y polimeros
Comportamiento óptico de materiales:
- ¿Qué son los fotones?
- ¿Cómo interactúa la luz con los cuerpos?, ¿Cómo se cuantifica la interacción?
o Transmitancia, absorbancia y Reflectancia
- ¿Qué es la refracción?, ¿qué es la reflexión interna?, ¿cómo se aplicaría en el diseño de una fibra óptica?
- ¿Qué es la transparencia y la opacidad?, ¿cómo se plantea en términos de la teoría de bandas?, ¿Cómo actúa
un "detector" de temperatura óptico?
- ¿Qué es color?, ¿qué es la absorción selectiva y no selectiva?
- ¿Qué caracteriza el comportamiento óptico de las diferentes familias de materiales?
Comportamiento óptico de materiales:
- ¿Qué son los fonones?
- ¿Cómo interactúa un fonón con un material?, ¿cómo se cuantifica dicha interacción?
o Capacidad calorífica
o Conductividad Térmica: Qué postula la Ley de Wiedemann Franz, ¿en qué materiales se aplica?
o Coeficiente de dilatación térmica
- ¿Cómo es la tendencia de dichos parámetros en las distintas familias de materiales?
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Tema 9: MATERIALES COMPUESTOS
Dedicación: 7h 30m
Grupo grande/Teoría: 2h
Grupo mediano/Prácticas: 1h
Aprendizaje autónomo: 4h 30m
Descripción:
- ¿Qué es un material compuesto?
- Constituyentes:
o Matriz y fase Dispersa: dispersión, distribución y orientación
- ¿Qué establece la Ley de Mezclas?
- Fase Dispersa: Consideraciones generales
o ¿Cómo funciona mecánicamente?
o ¿Qué es la "esbeltez" (Aspect Ratio) y cómo influye en el desempeño mecánico?
o ¿Cómo se clasifican los Materiales Compuestos?
- Materiales compuestos de base polimérica. ¿Por qué nos centramos en ellos?
- Fases dispersas reforzantes más empleadas:
o Fibras: de vidrio, de Carbono, de Aramida: Características, ventajas y desventajas entre ellas.
o Partículas laminares: Micro y Nanoescala
o Partículas con baja "esbeltez"
- Aspectos mecánicos del refuerzo con fibras
- Efecto de la Longitud, adhesión fibra-matriz, orientación
- Predicción del comportamiento mecánico en compuestos con fibra (efecto del contenido de fibra): Rango
Elástico:
o Modelo de Isotensión.
o Modelo de Isodeformación
o ¿Qué efecto tiene la longitud de la fibra y su disposición (orientación) en la predicción que realizan los
modelos?
- ¿Qué criterios se establecen para la selección de los constituyentes de un material compuesto?. Problemas
prácticos.
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Tema 10: PRINCIPALES MÉTODOS DE
CONFORMADO
Dedicación: 18h
Grupo mediano/Prácticas: 3h
Aprendizaje autónomo: 15h
Descripción:
Este tema se centra en una actividad en grupo. La actividad de carácter obligatorio constará de la preparación de
una presentación de máximo 15 minutos por grupos de trabajo donde, previa selección de un componente de
una pieza por cada grupo de trabajo, se procederá a explicar (presentar de forma oral) y debatir (en mesa
redonda con los integrantes de los otros de la sesión) el por qué de la selección del material, el método de
fabricación empleado, posible alternativa de sustitución de forma justificada.
La selección de la pieza estará supeditada al método de conformado, el cual será establecido de forma tal de
abarcar, con el conjunto de trabajos presentados, los tópicos genéricos que se enumeran más abajo y que tendrá
disponible estudiante desde el inicio del curso.
Los grupos de trabajo estarán constituidos por 3-5 estudiantes cada uno, para un total de 5 grupos por sesión de
debate. Los grupos serán constituidos por los mismos estudiantes y comunicados desde el inicio del cuatrimestre
(máximo segunda semana).
A los grupos de trabajos (se les recomienda la visita a una empresa del sector para recabar información
actualizada sobre su producción. Se valorará la calidad técnica y la comunicación eficaz oral
Los tópicos generales a tratar (según sea la familia de material/pieza seleccionado), son:
- Definir los principales métodos de procesamiento de las distintas familias de materiales, enumerando las
principales ventajas y desventajas, así como los defectos que se presentan en el producto.
¿ Cerámicas "amorfas" (Vidrio): Estirado en continuo. Prensado y soplado
o Cerámicas "cristalinas"
¿ "En seco": Sinterizado.
¿ "Húmedo": Conformado hidroplástico (Extrusión); Moldeo con Barbotina. Importancia del secado y cocción.
o Metales:
¿ Pulviometalúrgia. Colada. Conformado por deformación plástica. Mecanizado.
o Polímeros
¿ Continuo: Extrusión y técnicas basadas en ésta
¿ Dinámico ¿ Discontinuo: Moldeo por Inyección
¿ "En estado pseudosólido": Termoconformado
no valido
Dedicación: 0h
Grupo pequeño/Laboratorio: 0h
Aprendizaje autónomo: 0h
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Planificación de actividades
Dedicación: 9h
Grupo pequeño/Laboratorio: 9h
PRÁCTICAS DE LABORATORIO
Descripción:
Se realizarán las siguientes prácticas de asistencia obligatoria:
1.- Caracterizacción de materiales plásticos (relacionado con Temas: 1, 3 y 10)
2.- Análisis metalográfico (relacionada con el Tema 6)
3.- Evaluación del fenómeno de choque térmico en cerámicos (relacionada con Temas: 8 y 9)
Descripción de la entrega esperada y vínculos con la evaluación:
Cada una de ellas tendrá una duración de 3 horas. Durante la sesión serán tomados los datos experimentales y se
realizará un análisis preliminar de los mismos. En equipos de trabajo, previamente conformado al inicio del curso
atendiendo a las indicaciones del profesor (máximo de 10 equipos de trabajo por grupo de teoría grande) se
preparará un informe conjunto (de acuerdo a una plantilla previamente suministrada) que será entregado en la
última semana del curso. Se evaluará la comunicación escrita eficaz y la capacidad de análisis de las
observaciones realizadas.
EXAMEN PARCIAL
Descripción:
Evaluación de los conocimientos adquiridos.
Descripción de la entrega esperada y vínculos con la evaluación:
Examen resuelto.
Dedicación: 1h 30m
Grupo grande/Teoría: 1h 30m
EXAMEN FINAL
Descripción:
Evaluación de los conocimientos adquiridos.
Descripción de la entrega esperada y vínculos con la evaluación:
Examen resuelto.
Dedicación: 0h 30m
Grupo grande/Teoría: 0h 30m
Examen de actividades práticas
Descripción:
Examen de actividades prácticas referente a procedimiento y resultados principales
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Sistema de calificación
1.- Una prueba parcial (PP) de carácter obligatorio mitad de cuatrimestre con una duración de una hora.
2.- Un examen final (EF) obligatorio al terminar el cuatrimestre con una duración estimada de 1.5 h. Se podrá evaluar
todos los tópicos del curso excluyendo aquel que ha sido previamente evaluado en la PP.
3.- Se realizará un examen de actividades prácticas (EAP) con una duración aproximada de 30 minutos conjuntamente
con el EP.
4.- Se realizará un informe conjunto de prácticas de acuerdo a las indicaciones dadas previamente (NICP)
Todas las evaluaciones serán en la escala de 10.
La nota final (NF) será calculada a partir de la siguiente expresión:
NF = 0.45 NEF + 0.40 NPP + 0.15 NAP
NAC =Nota de actividades prácticas. Calculada según la siguiente expresión:
NAC = 0.5NICP + 0.5EAP
Se realizará un examen de recuperación de la asignatura (reevaluación) en el mes de julio de cada curso académico de
tal manera que la nota obtenida en el mencionado examen sustituya al valor de NF calculado según la ecuación anterior.
ESTUDIANTES REPETIDORES:
Para los estudiantes repetidores, al haber realizado y evaluado las sesiones prácticas en cuatrimestre anteriores, se les da
como opción alternativa para el cálculo de la nota final de la asignatura:
NF = 0.50 NEF + 0.50 NPP
Quedando exentos de la asistencia a las sesiones prácticas, realización de informe y presentación de examen de
prácticas.
En caso de que el estudiante no desee esta alternativa, su sistema de evaluación será el de estudiante que matricula por
primera vez, con todo lo que ello implica.
Normas de realización de las actividades
Prácticas: La asistencia a las sesiones correspondientes a las actividades 1 y 3 (prácticas y mesa de debate) en los días
establecidos es obligatoria.
Trabajo + exposición oral + Mesa debate: La realización (en grupo de entre 3 y 4 personas) y asistencia a la sesión
establecida para la actividad es de carácter obligatorio. El tema del trabajo a presentar será propuesto por el grupo de
trabajo en las 3 primeras semanas del cuatrimestre.
Prueba parcial: De realización obligatoria. Duración 1 h. Se evaluarán aspectos relacionados con los temas 1 a 7. No se
permite la utilización de apuntes. Restringido el uso de calculadoras "programable" o incluidas en dispositivos de telefonía
móvil.
Examen final: De realización obligatoria. Duración 1.5 h. Se evaluarán todos los temas tratados a lo largo del
cuatrimestre. No se permite la utilización de apuntes. Restringido el uso de calculadoras "programables" o incluidas en
dispositivos de telefonía móvil.
La no realización de cualquiera de las actividades de carácter obligatorio invalidará automáticamente el renglón de
evaluación a la que afecta (véase apartado siguiente).
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Bibliografía
Básica:
Callister, William D. Materials science and engineering. 8th ed. Hoboken, New Jersey: John Wiley, 2011. ISBN
9780470505861.
Askeland, Donald R. Essentials of materials science and engineering. 2nd ed. Stamford, CT: Cengage Learning, 2010. ISBN
9780495438502.
Complementaria:
Callister, William D. Materials science and engineering : an introduction : student learning resources. 6th ed. New York: John
Wiley and sons, 2003. ISBN 0471224715.
Ashby, M. F. Engineering materials a : An introduction to properties, applications and design. 3rd ed. Oxford: Elsevier
Butterworth-Heinemann, 2005-2006. ISBN 9780750663809.
Askeland, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. Madrid: Thomson, 2001. ISBN 8497320166.
Callister, William D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 2a ed. México: Limusa Wiley, 2009. ISBN
9786075000251.
Otros recursos:
Transparencias empleadas por los profesores de cada grupo de la asignatura (Campus Digital).
Videos seleccionados de la serie documental: How its made.
http://science.discovery.com/tv/how-its-made/
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