Permutación 0 240033 Materiales. Examen Final (15/01/13) Nombre

Permutación 0 240033 Materiales. Examen Final (15/01/13) Nombre

Permutación 0
Nombre:
240033 Materiales. Examen Final (15/01/13)
Grupo/profesor:
PARTE I: Seleccione la respuesta correcta. 0.25 p c/u. Una respuesta incorrecta elimina una correcta.
V
1) A medida que disminuye el % de carbono en un acero hipoeutectoide disminuye la
proporción de ferrita en la microestructura.
2) De forma general se puede asegurar que al aumentar el porcentaje de cristalinidad de un
polímero aumenta su módulo elástico.
3) La densidad de un polímero semicristalino con arquitectura molecular ramificada aumenta al
aumentar el número de ramificaciones.
4) Si dos elementos A y B cumplen con las reglas de Hume-Rothery, cualquier proporción de
mezcla de A y B produce una solución sólida substitucional en el estado sólido.
5) Los termoplásticos enfriados en condiciones de equilibrio hasta una temperatura inferior a su
Tg se encuentran en estado vítreo y son amorfos.
6) La austenita es capaz de disolver mayor cantidad de carbono que la ferrita.
7) El coeficiente de difusión de A en B depende de la temperatura y de la concentración de A.
8) La tenacidad a tracción se define como la cantidad de deformación plástica que un cuerpo
solicitado a tracción puede soportar antes de romper.
9) Las fases austenita, martensita y cementita son compuestos intersticiales debido a que el C
tiene un menor tamaño atómico que el Fe.
10) Un acero se somete a un ensayo de tracción y se deforma plásticamente hasta una
deformación de 1% sin que se rompa. Posteriormente se comprime hasta obtener las
dimensiones originales. El material al final del proceso presentará un valor de dureza
superior al inicial.
11) Un polímero semicristalino siempre presenta Tg.
12) Una chapa de Cu puro no puede ser endurecida por precipitación.
13) La contracción volumétrica durante el enfriamiento lento de un LDPE (Polietileno de baja
densidad) es mayor que la de un HDPE (Polietileno de alta densidad).
14) Una fundición hipoeutéctica enfriada lentamente desde el estado líquido hasta 900ºC
presenta una microestructura formada por cementita proeutectoide y ledeburita.
15) Al aplicar un conformado por deformación plástica en frio (trabajo en frio) a una aleación
metálica enfriada en equilibrio, la probabilidad de que aparezca segregación química
aumenta.
16) Los materiales cerámicos y poliméricos se caracterizan porque pueden presentar enlaces
covalentes entre los átomos que lo conforman.
17) El término “porcentaje de cristalinidad” en los materiales metálicos no tiene sentido.
18) La martensita es una solución sólida intersticial de composición igual a la de la austenita de
la cual se forma.
19) Durante un calentamiento en equilibrio un material cristalino como el Cu presenta una
contracción volumétrica al pasar por su temperatura de fusión.
20) Los compuestos intermedios son aleaciones homogéneas mientras que las soluciones
sólidas son aleaciones heterogéneas.
F
Permutación 0
PARTE II: (Total 5 p)
2
1)
Se desea alargar una barra de acero de sección transversal 0.5 m hasta duplicar su longitud inicial
mediante un proceso de estirado a temperatura ambiente. Esta barra, en su estado de recepción, presenta
un 20% de trabajo en frío. Se desea saber si una máquina que posea una capacidad de aplicar una carga
máxima de 500 MN puede ser utilizada para tal fin. Se asume que la deformación plástica se lleva a cabo a
volumen constante. Las propiedades mecánicas uniaxiales de la barra de acero recocido son las siguientes:
Módulo elástico = 200 GPa. ; Coeficiente de Poisson = 0.3
Se conoce que el límite elástico del acero en cuestión puede ser descrito por la siguiente expresión:
LE (x) = 700 + 35x [MPa] , donde x = % trabajo en frio. El máximo trabajo en frio que es capaz de soportar
este acero sin que rompa es del 65%.
Seleccione la respuesta que se ajuste a cada una de las cuestiones que se plantean a continuación.
IMPORTANTE: SE HA DE JUSTIFICAR NUMÉRICAMENTE (donde proceda) SU SELECCIÓN.
1.1) Diga cuál de las siguientes afirmaciones es cierta. (0,7 p)
☐ La barra no puede ser alargada hasta dichas dimensiones ya que rompe antes.
☐ La máquina puede ser utilizada ya que es capaz de someter a la barra a una tensión que causa su
fluencia inicial.
☒ La máquina no puede ser utilizada ya que el proceso requiere de la aplicación de 700 MN.
☐ La máquina puede ser utilizada ya que el proceso requiere de la aplicación de 300 MN.
1.2) Considere que el proceso de fabricación planteado puede realizarse en caliente de forma tal que el
material no se endurezca por deformación. Además, se tiene que el límite elástico del material a 300
ºC es 600 MPa y que por encima de 400 ºC es igual a 500 MPa. Indique cual de las siguientes
opciones permitiría la realización del proceso planteado con el menor consumo energético y con una
máquina cuya máxima carga axial es de 240 MN. (0,7 p)
☐
☐
☐
☒
Deformación en caliente por encima de 400 ºC.
Deformación en caliente a 300 ºC.
Deformación a temperatura ambiente.
Ninguna, ya que la máquina no posee capacidad suficiente.
1.3) Si el proceso de fabricación indicado en el enunciado principal se realiza finalmente a temperatura
ambiente con una máquina de capacidad suficiente y empleando la barra en el estado de recepción
indicado, ¿Cuál de las siguientes afirmaciones considera cierta? (0,7 p)
☐ La geometría de los granos de la barra recibida y la deformada son iguales.
☒ La temperatura de recristalización de la barra en estado de recepción será mayor que la de la barra al
final del proceso.
☐ La cantidad de dislocaciones al final del proceso es similar a la existente en un principio.
☐ La temperatura de recristalización de la barra en estado de recepción será menor que la de la barra al
final del proceso.
1.4) Suponga que se logra obtener la barra en las dimensiones requeridas en el enunciado principal
mediante un proceso de conformado por deformación en frío y sin hacer ningún recocido. Indique si el
producto obtenido puede ser empleado en una aplicación donde estará sometida a una carga axial de
750 MN dentro del rango elástico del material y que su deformación en la dirección radial sea menor
que 0.005. (0,7 p)
☐
☒
☐
☐
Se puede utilizar ya que la deformación radial es de 0.0042
No se puede utilizar ya que la barra se deformaría plásticamente al aplicar la carga.
No se puede utilizar ya que la deformación axial es de 0.014
No se puede utilizar ya que la deformación radial es de 0.014
Permutación 0
Espacio reservado cálculos numéricos problema 1.
(presentarlo de forma organizada)
1.1.
Condiciones iniciales para la barra en estado de recepción:
S1 = 0.5 m2
%CW = 20
0.2%
y
LE(%CW=20) = 700 + 35x20 = 1400 MPa
R/ Por lo tanto, para que la barra de sección S1 empiece a deformarse plásticamente habrá que hacer una
fuerza equivalente a Fy0.2% = y0.2%xS1 = 1400 x 0.5 = 700 MN.
Como Fy0.2%
Fmáquinamáxima = 500 MN se concluye que la máquina no tiene capacidad suficiente para
deformar a la barra en el estado de recepción.
1.2.
Teniendo en cuenta que:
0.2%
y
0.2%
y
Fy0.2%
(T = 300 ºC) = 600 MPa
(T 400 ºC) = 500 MPa
= y0.2%xS1
Se deduce, de forma similar al apartado anterior, que:
Fy0.2% (300 ºC)= 600 x 0.5 = 300 MN
Fy0.2% (400 ºC)= 500 x 0.5 = 250 MN
Y como Fy0.2% (T)
Fmáquinamáxima = 240 MN se concluye que la máquina nuevamente no tiene capacidad
suficiente para deformar a la barra en el estado de recepción.
1.3.
No requiere cálculos. Se trata de un aspecto explicado en teoría.
1.4.
Los %CW no se pueden sumar. Por lo tanto, hay que calcular el %CW a través del área final (S2) y del área
inicial (So) que tenía la barra antes de aplicarle el %CW=20.
S2 se calcula aplicando conservación de volumen, es decir:
S2 = S1x(L1/L2) = S1x[L1/(2xL1)] = S1/2 = 0.25 m2
S2xL2 = S1xL1
S0 se calcula aplicando la definición de trabajo en frio, es decir:
CW0
1
S0 = S1x(1 – CW)-1 = S1x(1 - 0.2)-1 = S1/0.8 = 0.5/0.8 = 0.625 m2
= (1 – S1/S0)
Por lo tanto:
CW0
2
= (1 – S2/S0) = [1 – [(S1/2)/(S1/0.8)]] = 0.6
Y como %CW0
2
%CWmáximo permitido
%CW0
2
= 60
65 no hay problemas de rotura para este acero.
Por lo tanto, el límite elástico del material al final del proceso será:
0.2%
y
LE(%CW=60)
= 700 + 35x60 = 2800 MPa
Y en consecuencia, la fuerza necesaria para iniciar su deformación plástica será:
Fy0.2% =
0.2%
xS2
y
= 2800 x 0.25 = 700 MN
En este caso, como Fy0.2%
Ftrabajo 750 MN se concluye que la barra deformará plásticamente.
Permutación 0
2)
Teniendo en cuenta el diagrama de fases en equilibrio que se adjunta responda a las siguientes
preguntas :
2.1)
Identificar las fases existentes
en cada zona del diagrama. (0,1 p)
L
+L
+
L+
+L
L+A30B70
L+A30B70
A30B70 +
+A30B70
Todas las respuestas han de estar
justificadas
con
los
cálculos
numéricos respectivos (en las que
así lo requieren).
+
+A30B70
2.2) En el diagrama de fases existen reacciones invariantes, ¿Cuál de la siguientes opciones de
información considera falsa? (0,2 p)
☐
☐
☒
☐
Eutectoide a T2. Una de las fases que interviene tiene la siguiente composición química: 70%B.
Eutéctica a T6. Una de las fases que interviene tiene la siguiente composición química: 70%B.
Eutéctica a T4. Sólo intervienen 2 fases con las siguientes composiciones químicas: 40%B y 70%B.
Peritéctica a T9. Intervienen 3 fases con las siguientes composiciones químicas: 5%B, 25%B y 15%B
2.3) A una muestra de una aleación con un 7,5% de B se le hace un tratamiento térmico a T3 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 contendrá: (0,3 p)
☐
☒
☐
☐
92,6% en peso de solución sólida rica en A.
8,3% en peso de una estructura primaria (ó “pro…).
18,5% en peso de una solución sólida rica en B.
91,7% en peso de una estructura primaria (ó “pro…”).
2.4) ¿Cuál de estas aseveraciones considera falsa? (0,1 p)
☐
☒
☐
☐
El diagrama presenta una sola fase intermedia
La máxima solubilidad de B en A se presenta a T6 y es del 95%
El elemento A presenta 2 transformaciones alotrópicas
La máxima solubilidad de B en A se presenta a T4 y es del 25 %.
2.5) Se tiene una aleación que a T9 + ΔT contiene un 37,5% de líquido. La proporción de aleación que
solidifica por la reacción invariante es: (0,3 p)
☐ 0%
☒ 37,5%
☐ 100%
☐ 62,5 %
Permutación 0
2.6) Dibuje la curva de enfriamiento en equilibrio
desde T11 hasta Tamb de la aleación 20% de B. (0,1
p). Identifique claramente los ejes y las fases en
cada tramo de la curva.
T
50wt% de
L
PRO
+ 50wt% de Mezcla Eutectoide
PRO
+L
T9
2.7) Considerando un enfriamiento en equilibrio
desde el estado líquido hasta T amb, dibuje de forma
proporcionada la microestructura que esperaría
observar a Temperatura ambiente en la aleación
7,5% de B. Indique claramente la composición
química de las fases que la constituye
siguiendo la nomenclatura que usted empleó en
la pregunta 2.1. (0. 1 p)
ME
+ ME
( + A30B70)
idem
+L
idem
idem
+ A30B70
Composición química de las fases:
T2
+ A30B70
Tiempo
Fase
Fase A30B70
[2.5 wt%B; 97.5 wt%A]
[30 wt%A; 70 wt%B]
Cálculos apartado 2.3.:
%A30B70 = [(15-10)/(70-10)]x100 = 8.3
Cálculos apartado 2.5.:
L = (x – 5)/(25 – 5) = 0.375
x = 12.5 %B
Como x = 12.5 %B 15 %B se deduce que solidifica todo el líquido
que teníamos a T9+. Por lo tanto, la respuesta correcta es 37.5%.
Permutación 0
3)
Dadas las siguientes curvas de tensión-deformación a tracción, asigne una de ellas a cada uno de los
materiales indicados en la tabla adjunta (0,5 p).
MPa
A
B
MATERIAL
Acero + 20% CW + recocido
Acero+ 40% CW
Polímero semicristalino con T f= 265ºC y Tg =
45ºC y ensayado a 25ºC
Acero+ 30% CW
Acero
C
CURVA
E
C
F
D
D
E
E
F
G
Deformación (%)
4)
De la lista de términos que aparece a continuación, asignar el tipo de constituyente, fase o estado de
agregación que corresponda a temperatura ambiente a cada uno de los materiales de la tabla
siguiente. (0,5 p). Observación: solo existe un término correcto de la lista para cada material de
la tabla, pero puede haber materiales que se describan con el mismo término.
a) Solución sólida substitucional en equilibrio b) Solución sólida intersticial en equilibrio
c) Compuesto intermedio
d) Aleación heterogénea (mezcla eutectóide)
e) Polímero termoplástico amorfo y vítreo
f) Polímero termoestable
g) Aleación heterogénea (mezcla eutéctica)
h) Aleación homogénea (mezcla eutectóide)
i) Polímero termoplástico semicristalino flexible j) Polímero elastómero
k) Solución sólida intersticial de no equilibrio
l) Solución sólida substitucional de no equilibrio
m) Polímero semicristalino vítreo
MATERIAL
Martensita
Latón
Ledeburita
PMMA (Tg = 105ºC, fluye a 150ºC)
PI (Tg = -60ºC, no fluye)
Ferrita
Carburo de hierro
Resina de poliéster (Tg = 150ºC, no fluye)
Mg2Pb
PLA (Tg = 60ºC, Tf = 170ºC) enfriado en equilibrio
RESPUESTA
k
a
g
e
j
b
c
f
c
m
Permutación 0
240033-Materiales. Examen de prácticas – Actividades en grupo - Trabajo
Nombre:
Grupo / Profesor:
(15/01/13)
PARTE I: Diga si es Verdadera (V) o Falsa (F) cada una de las siguientes afirmaciones. 0,5 p c/u. Cada
respuesta incorrecta equivale a -0.5 del total del examen de prácticas - actividades en grupo - trabajo.
V
F
1) La contracción volumétrica que se presenta en una pieza cerámica obtenida por sinterizado se
atribuye a la evaporación de agua.
2) La probabilidad de presentarse segregación química es mayor en la colada que en la
extrusión de metales.
3) El proceso de extrusión de termoplásticos semicristalinos, el moldeo por colada de metales y
la sinterización de cerámicos presentan como punto común que el material a moldear tiene
que estar por encima de su temperatura de fusión.
4) Tanto en la extrusión de cerámicos como en el moldeo en barbotina es necesario realizar un
proceso de sinterización del cuerpo verde.
5) Durante el moldeo por inyección de un termoplástico, cabe esperar mayores niveles de
contracción volumétrica post-moldeo en un material semicristalino que en uno amorfo.
6) El estaño al ser enfriado hasta -20ºC sufre una reducción en su volumen, provocando la
“fragilización” de la pieza que esté fabricada con él.
7) El diagrama de fases de agua + sal (salmuera) se caracteriza por presentar una reacción
invariante que genera una aleación heterogénea en forma de laminillas durante el
enfriamiento lento.
8) En la selección del metal usado para fabricar las interconexiones del circuito integrado base
Si (siguiendo el método de fabricación explicado en el enunciado de la actividad en grupo que
usted realizó) el factor de mayor peso a considerar es la conductividad eléctrica que presente
el metal.
9) La modificación que se realiza en el vidrio “común” para fabricar el vidrio “pyrex” ocasiona
principalmente disminución del coeficiente de expansión térmico. Según la relación que Ud.
encontró en la actividad previa a la práctica, esto permite que su resistencia al choque térmico
aumente.
10) Durante el proceso de preparación de probetas para observación metalográfica hay una
etapa de “ataque químico”, lo que permite “revelar” los bordes de grano para su fácil
observación.
Parte II: (Total: 5p)
1)
Se pretende evaluar la cristalinidad de una muestra de botella fabricada en PET ya que ha habido
problemas de pérdida de gas carbonatado en la bebida. Se ha elegido la técnica de densidades que
usted empleó en las sesiones de prácticas de la asignatura. Se dispone de dos posibles líquidos de
inmersión que no interactúan de forma química con la muestra y que presentan densidades diferentes:
líquido 1:
1,5020 g/cm
3
líquido 2:
1,2500 g/cm
3
Conociendo que los datos de partida del PET son los siguientes:
fase amorfa a 25ºC:
1,3345 g/cm
3
y
fase cristalina a 25ºC:
1,5150 g/cm
3
a) ¿Cuál de los dos líquidos de inmersión emplearía? Justifique razonadamente su respuesta. ( 1 p)
Teniendo en cuenta las siguientes condiciones:
fase amorfa
compuesto
fase cristalina
y
Se concluye que hay que utilizar el líquido2 con
compuesto
líquido 2
líquido
= 1,2500 g/cm3.
Permutación 0
b) Empleando el líquido adecuado de entre los dos enumerados anteriormente, se llevó a cabo la
experiencia siguiendo el procedimiento que usted empleó en la práctica usando 1,000 g de muestra.
La masa de dicha muestra sumergida en el líquido fue de: 0,0912 g. ¿Qué % de cristalinidad en
peso tiene la muestra? Nota: emplee en los cálculos un mínimo de 4 cifras significativas y un
máximo de 5. (2 p)
La densidad del compuesto será:
c
Por Arquímedes sabemos que:
líquidoxVc
Por lo tanto:
c
=
líquidox[mc/(mc
= mc/Vc
= mc - mclíquido
- mclíquido)] = 1.37544 g/cm3
Además, por la ley de mezclas sabemos que:
c
=
amorfa
+(
cristalina
-
amorfa)
x vcristalina
Donde vcristalina es la fracción volumétrica de la fase cristalina. Por lo tanto:
vcristalina = [(
c
-
amorfa)/( cristalina
Ahora bien, como:
Se obtiene que:
-
amorfa)]
= 0.22682
vcristalina = Vcristalina/Vtotal = (Mcristalina/
másica
cristalina)/(Mtotal/ c)
(Mcristalina/Mtotal) = vcristalina x (
cristalina/ c)
= 0.25
Por lo tanto, la muestra analizada tenía un 25% en peso de cristalinidad.
2) Se ha realizado un análisis cuantitativo mediante el programa ImageJ (similar al método que Ud.
habrá empleado) en la micrografía que a continuación se presenta. Para dicho análisis se planteó
analizar la foto como si fuesen dos zonas: una clara (blanca) y otra “obscura” (si bien había zonas
claras dentro) se obtuvieron los siguientes datos.
Superficie total de la imagen (en píxeles): 9,5 x 10
6
Superficie de píxeles zona blanca: 2,185 x 10
6
a)
¿A cuales de las aleaciones analizadas corresponde
dicha micrografía? Asigne clara y adecuadamente las
fases observadas. (0,5 p)
b)
¿Cuál es la composición nominal de dicha aleación?
(en base a % en peso de uno de los elementos que
constituye la aleación). (1,5 p)
Respuesta:
a) Se trata de un acero hipoeutectoide formado por ferrita proeutectoide (fase de color blanco) y
perlita (fase oscura).
b) La ferrita proeutectoide se puede estimar calculando las proporciones entre pixeles blancos y
pixeles totales de la imagen. Por lo tanto, PRO(wt%) = (2.185/9.5)x100 = 23.
A partir de este dato se puede estimar la composición nominal de este acero aplicando la regla
de la palanca, según:
PRO
(wt%) = [(0.77 – x)/(0.77 – 0)]x100
23
x = 0.593 wt%C