FUNDAMENTOS DE CIENCIAS DE LOS MATERIALES (I.T.I. Mecánico, 2º curso) Feb 2010 Conteste con precisión a lo que se le indica en el enunciado de la pregunta. Para que se le corrija el examen debe haber superado las prácticas o tenerlas convalidadas del año anterior. Se recogerán separadamente las respuestas a las preguntas 1 a 12, por un lado, y las correspondientes a las preguntas 13 a 16, por otro. No mezcle, por tanto, en un mismo folio respuestas relativas a ambos grupos de preguntas. El examen tendrá una duración de 4 horas, repartidas en dos periodos de 120 minutos, con un descanso intermedio de 30 minutos. Sólo se admitirán calculadoras no programables. Será obligatorio disponer sobre la mesa un documento de identificación. Para facilitar la corrección el examen se califica sobre 100 puntos. 1. (8 puntos) La estructura del hierro puro a temperatura ambiente es cúbica centrada en el cuerpo.

Para dicha estructura el parámetro de red vale a = 0,2902 nm a) Determine el espacio hueco de dicha estructura b) A 912ºC el hierro muestra una transformación alotrópica α-Fe (CC) → γ-Fe (CCC):

i) Calcule el tamaño del radio atómico del Fe en la estructura CCC del γ-Fe, sabiendo que el parámetro de red vale 0,3646 nm.

ii) Determine la expansión o contracción (% en volumen) que experimenta el hierro en la transformación alotrópica indicada.

c) Suponiendo que el radio atómico calculado anteriormente para el γ-Fe es también válido para el α-Fe, y sabiendo que el peso atómico del hierro es de 55,84 UMA, calcule su densidad teórica a temperatura ambiente.

2. (6 puntos) Para un cristal de α-Fe:

a) Describa un sistema de deslizamiento que tenga, previsiblemente, una tensión cortante crítica baja.

b) ¿Cuánto vale el módulo del vector de Burgers correspondiente? c) ¿Cuánto vale la distancia interplanar en dicho sistema? Para un cristal de γ-Fe : d) Describa un sistema de deslizamiento que tenga, previsiblemente, una tensión cortante crítica

baja. e) Calcule el módulo del vector de Burgers correspondiente. f) Calcule la distancia interplanar en dicho sistema. DATOS: Tome los de la pregunta anterior.

3. (6 puntos) Se introduce un engranaje de acero en un horno de cementación a 950ºC, para

incrementar el contenido superficial de carbono del mismo. La atmósfera del horno se mantiene con un potencial de carbono de 1,2%C, mientras que el engranaje tiene originalmente un 0,25%C. a) La integración de la segunda ley de Fick para este caso concreto conduce a la relación:

0

0

12

xerr

s

C C xC C Dt

− ⎛ ⎞= −ℑ ⎜ ⎟− ⎝ ⎠

Defina cada una de las variables o funciones que aparecen en dicha relación. b) Calcule el tiempo de tratamiento necesario para alcanzar una concentración del 0,793%C a una

profundidad de 0,5 mm. c) Calcule el tiempo de tratamiento necesario si la temperatura se eleva a 1000ºC

DATOS: 10708039,87 10 RTD e−−= ⋅ , con D expresado en cm2/s, T en grados Kelvin y R=8,314 J/(mol K)

errℑ (z) 0 0,1125 0,2227 0,3286 0,4284 0,5205 0,6039 0,6778 0,7421 z 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

4. (5 puntos) Tras la deformación mediante trefilado en frío de un redondo de cobre puro para la fabricación de conductores eléctricos, se procede a su calentamiento para promover la recristalización: a) Haga una relación de las propiedades que resultan afectadas por el proceso de deformación y

recristalización. b) Indique cómo afecta el porcentaje de deformación en frío al tamaño de grano final recristalizado. c) Haga una relación de las variables que influyen sobre la temperatura de recristalización. d) Si después de que la recristalizaión se haya completado, se continúa el calentamiento, ocurrirá

una recristalización secundaria. Explique brevemente en qué consiste dicho proceso. e) Haga un dibujo esquemático de la microestructura del cobre después de la deformación y

después de la recristalización.

5. (8 puntos) En la figura adjunta se representa el diagrama de equilibrio Sn-Cu. a) Indique razonadamente si la fase (Cu) es una solución sólida sustitucional, solución sólida

intersticial o un compuesto. b) Considere una aleación del 87%Cu (línea punteada en el diagrama). Dibuje la curva de

enfriamiento desde 1200 a temperatura ambiente. c) Dibuje la estructura que cabe esperar a temperatura ambiente en la aleación anterior. d) Haga un análisis de fases de la aleación anterior, a temperatura ambiente. e) Si el enfriamiento se realiza en condiciones de no equilibrio, nombre el fenómeno que ocurriría

durante la solidificación. 6. (5 puntos) Considere la solidificación de una pieza de cobre

a) Señale diferencias que se obtendrán en el tamaño del grano si la solidificación ocurre en molde de arena o en molde metálico

b) Si en el momento de la solidificación se añaden agentes nucleantes, indique si la nucleación ocurrirá principalmente de forma homogénea o heterogénea

c) Si se incrementa artificialmente la velocidad de enfriamiento, indique si se obtendrá una mayor o menor velocidad de nucleación y de crecimiento.

d) ¿Cómo podría evitarse completamente la nucleación para llegar a obtener un vidrio metálico? e) Exprese la relación existente entre la fracción solidificada y el tiempo transcurrido desde el inicio

de la solidificación. ¿Cómo se denomina a dicha ecuación?

7. (6 puntos) Respecto a las aleaciones férreas. a) Indique cuál es el contenido máximo de carbono que diferencia los aceros de las fundiciones. b) Indique, para las fundiciones blancas, cuál es el diagrama de fases que se utiliza, Fe-C o Fe-

Fe3C. c) Dibuje la microestructura de una fundición esferoidal ferrítica del 3,5%C. Haga un análisis de

fases de dicha aleación d) La imagen adjunta corresponde a un acero hipereutectoide. Indique el contenido de carbono que

puede tener dicho acero. e) Dibuje la curva de enfriamiento del acero señalado en el apartado anterior, desde 1150ºC hasta

temperatura ambiente.

8. (6 puntos) Respecto a la transformación martensítica en los aceros: a) Indique si dicha transformación se produce con difusión o sin difusión. b) Dibuje una curva TTT típica de un acero hipoeutectoide. c) Sobre la curva de enfriamiento continuo que se acompaña (cópiela en su respuesta) dibuje (i) la

curva de enfriamiento de un tratamiento de recocido total, (ii) de temple y (iii) de un tratamiento apropiado para la obtención de bainita.

d) Cómo explica que en un tratamiento de cementación pueda obtenerse austerita retenida e) Durante el enfriamiento del temple, las piezas experimentan una contracción y una expansión en

volumen. Señale los motivos de uno y otro comportamiento.

FUNDAMENTOS DE CIENCIAS DE LOS MATERIALES (I.T.I. Mecánico, 2º curso) Feb.2010 Conteste con precisión a lo que se le indica en el enunciado de la pregunta. Para que se le corrija el examen debe haber superado las prácticas o tenerlas convalidadas del año anterior. Se recogerán separadamente las respuestas a las preguntas 1 a 12, por un lado, y las correspondientes a las preguntas 13 a 16, por otro. No mezcle, por tanto, en un mismo folio respuestas relativas a ambos grupos de preguntas. El examen tendrá una duración de 4 horas, repartidas en dos periodos de 120 minutos, con un descanso intermedio de 30 minutos. Sólo se admitirán calculadoras no programables. Será obligatorio disponer sobre la mesa un documento de identificación. Para facilitar la corrección el examen se califica sobre 100 puntos. 9. (8 puntos) Considere las aleaciones de aluminio 1010 y la 2014.

a) Indique los principales elementos de aleación de tales aleaciones. b) Indique cómo pueden endurecerse dichas aleaciones. c) Indique las siglas que se usan para denotar cada uno de los estados de tratamiento mencionados

en el apartado anterior. d) Dibuje la curva temperatura-tiempo para un tratamiento del tipo T6 e) Indique cuales son los aluminios de mayor uso en la industria aeronautica.

10. (5 puntos) Respecto a las aleaciones no férreas,

a) Indique cuáles son los elementos principales de aleación de las aleaciones siguientes: (i) latones, (ii) bronces, (iii) metal monel, (iv) superaleaciones

b) En el caso de las superaleaciones, el procesado puede hacerse para obtener morfologías de grano muy diferentes. Indique cuál o cuáles son tales morfologías.

c) Existe una relación entre la densidad y el punto de fusión de los metales. Ordene los siguientes metales de menor a mayor según alguno de esos criterios: magnesio, aluminio, titanio, cobre o wolframio.

d) Indique los usos más comunes de las aleaciones de cobre, de acuerdo a sus propiedades más sobresalientes.

e) Igual para las aleaciones de titanio. 11. (6 puntos) Una pieza de plástico está fabricada en un homopolímero vinílico con un peso molecular

medio de 105.000 UMA y un grado de polimerización de n=2.500. a) Determine de qué polímero se trata. b) Calcule la distancia media entre los extremos de la cadena en el seno del plástico (el ángulo de

dos enlaces C-C consecutivos es de 109,5º y la longitud del enlace de 1,54 Å). c) La misma pieza se fabrica en un copolímero alterno etileno-propileno. Calcule la masa molecular

para el mismo grado de polimerización n=2.500. d) Indique cuál será ahora la longitud de la cadena. e) Señale cuál de los dos materiales tendrá mayor probabilidad de ser parcial o totalmente cristalino PESOS ATÓMICOS (en UMA’s): C, 12; H, 1; Cl, 35

12. (6 puntos) Se va a fabricar un material compuesto con fibra de carbono (ρfibra=1,77 g/cm3; Efibra=230

GPa) y resina epoxi (ρepoxi =1,2 g/cm3; Eepoxi=3 GPa), en el que se pretende obtener una rigidez igual a 200 GPa. Se sabe que el módulo de elasticidad del material compuesto puede calcularse como:

(1 )comp fibra fibra matriz fibraE E V E V= ⋅ + ⋅ − a) Calcule la cantidad mínima de fibra (Vfibra)a emplear. b) Calcule la densidad del material compuesto obtenido (puede emplearse una ecuación equivalente

a la anterior) c) Nombre un procedimiento de fabricación comúnmente usado para estos materiales. d) Indique a qué temperatura máxima pueden usarse comúnmente los materiales compuestos de

matriz polimérica.

CONTESTE, A PARTIR DE AQUÍ, EN FOLIOS APARTE

13. (5 puntos) Respecto a los ensayos mecánicos

a) ¿Porqué la resistencia a la tracción de un material se expresa en términos de tensión y no de fuerza ? Razone la respuesta.

b) Determinar la energía elástica de deformación en el transcurso de un ensayo de tracción realizado sobre una probeta de 100 mm. de longitud y 5 mm de diámetro en el momento en que la probeta soporta una tensión de 200 N/mm2 . (E=210.000 N/mm2).

c) Cite las etapas, con mención de cargas, para la ejecución de un ensayo de dureza con penetrador de diamante.

d) Calcule el valor del diámetro del penetrador esférico para la realización de un ensayo Brinell. Datos: K=30, P=750 Kgf.

14. (5 puntos) Respecto a las propiedades mecánicas de los metales

a) Explique brevemente la diferencia entre tenacidad y fragilidad. Cite ejemplos de materiales frágiles y tenaces. Indique mediante qué ensayos se pone de manifiesto tal comportamiento.

b) La curva de transición y en particular la temperatura de transición es de interés para conocer el comportamiento al impacto de determinadas aleaciones. Indique qué aleaciones son esas y cómo se procede para obtener el valor de dicha temperatura

c) Cite los procedimientos que seguiría para mejorar la resistencia a la fatiga de una aleación. 15. (5 puntos)

a) Explique brevemente porqué los ascensos o descensos de los líquidos por los tubos capilares son inversamente proporcionales a los radios del tubo.

b) Represente gráficamente la descomposición de una onda longitudinal que incide oblicuamente sobre la superficie de separación de dos medios de distinta densidad.

c) Sobre un cilindro de material ferromagnético, ilustre el campo magnético longitudinal y transversal obtenido.

d) Defina el efecto piezoeléctrico. Asocie el efecto piezoeléctrico directo e inverso con la generación y recepción de ondas ultrasónicas.

16. (10 puntos)

a) Sobre una microfotografía a 150 aumentos, se ha trazado una circunferencia de 79,8 mm. de diámetro. El número de granos contados enteros es de 28 y 18 los cortados. Determinar el índice G.

b) ¿Qué es la metalografía? Indique las operaciones en la preparación de una muestra metalográfica para la observación microscópica. ¿Qué nos revela?

c) El porcentaje de cementita primaria que a temperatura proeutéctica existe en una aleación con 5% de carbono es del 30%. El líquido restante al alcanzar la temperatura eutéctica solidifica con una estructura laminar compuesta por las fases austenita y cementita. ¿Qué porcentaje de estas fases existirán? La reacción eutéctica es: Líquido(4,3% C) →Austenita (2% C) + Cementita ( 6,67 % C).

d) Un acero con 1% de carbono es calentado hasta una temperatura ligeramente superior a la temperatura de reacción eutectoide. Ilustre la estructura resultante así como el porcentaje de constituyentes que están presentes. Tómese el punto eutectoide con 0,8% de carbono.

e) Explique brevemente como procedería para obtener el diámetro crítico de un acero.