ACT 6 MATERIALES INDUSTRIALES

TRABAJO COLABORATIVO 1 MATERIALES INDUSTRIALES Presentado por Yuli Viviana Mora Ramos Jennifer Tovar Quintero Carlos Eduardo Díaz Luis Carlos Ramírez Presentado a William Andrés Tarazona Grupo: 81

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

INGENIERÍA INDUSTRIAL

MATERIALES INDUSTRIALES NEIVA – HUILA OCTUBRE - 2013

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TABLA DE CONTENIDO

Pág.

1. Introducción______________________________________________________ 3

2. Objetivos ________________________________________________________ 4

3. Efectos ambientales sobre el comportamiento de los materiales __________ 5

4. Describa algunas técnicas posibles de prueba y de que se pudieran utilizar con base a las propiedades físicas de los materiales______________________ 7

5. Describa algunos métodos posibles que pudieran utilizarse para separar materiales_________________________________________________________ 9

6. Estructura atómica y electrónica de los materiales _____________________ 10

7. Ejercicios Prácticos_______________________________________________ 12

8. Ejercicios Prácticos_______________________________________________ 12

9. Ejercicios Prácticos ______________________________________________ 13

Conclusiones______________________________________________________ 14

Bibliografia________________________________________________________ 15

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1. INTRODUCCION

Esta actividad se realiza con el objetivo de que evaluemos y afiancemos los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la primera unidad del curso materiales industriales, atreves de la utilización de herramientas que fortalecen el aprendizaje autónomo como lo son la caja de herramientas para el aprendizaje y Para seguir aprendiendo (medios didácticos). En este trabajo grupal tratamos los temas referentes al efecto que causa el medio ambiente a los diferentes materiales, repasamos temas relacionados a la estructura atómica y Electrónica de los materiales, adicional a ello se desarrollaron 3 ejercicios prácticos, investigamos sobre las propiedades físicas de los materiales y en base a ello estudiamos algunas técnicas de pruebas y clasificación.

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2. OBJETIVOS

Objetivo General

Estudiar la unidad uno del curso y comprender la importancia de los diferentes elementos desde su estructura molecular y electrónica para así entender de qué forma el medio ambiente los puede afectar de forma negativa, teniendo en cuenta que muchos de estos materiales son los que utilizamos en nuestro diario vivir y de ellos depende nuestro futuro y nuestra vida profesional

Objetivos Específicos

Ya habiendo comprendido la forma en que el medio ambiente afecta negativamente las propiedades de los diferentes elementos se hace necesaria estudiar qué tipo de elementos son más eficaces en la ejecución de una tarea teniendo en cuenta su resistividad al medio, de esta forma el ingeniero podrá planificar en qué medida podrá verse afectada una estructura en el tiempo y cuál será su vida útil. Conocer los diferentes medios y tecnologías usadas en la actualidad en diferentes plantas de tratamientos de materiales con el fin de separar materiales no deseados en la materia prima a transformar y a separar de forma más rápida en algunas plantas recicladoras.

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3. Explique los efectos ambientales sobre el comportamiento de los materiales, utilizando la estrategia de aprendizaje Preguntas Literales (Ver en la caja de herramientas para el aprendizaje la estrategia de aprendizaje mencionada).

EFECTOS DE LOS AGENTES MEDIOAMBIENTALES EN LOS MATERIALES COMPUESTOS

Vamos a ver ahora los agentes medioambientales más importantes y como afectan a los materiales.

HUMEDAD

Los efectos más inmediatos e importantes que provocan la difusión de humedad dentro del material compuesto es la disminución de resistencia, módulo y temperatura de transición vítrea Tg. La humedad actuará plastificando la matriz, hinchamiento, y provocando cambios en las propiedades mecánicas del material, las cuales pueden ser regeneradas eliminando la humedad del material, asumiendo que el daño permanente ocurrido en la matriz durante la exposición, aparición de micro grietas, no influyan en las propiedades al no crearse muchas.

La temperatura de transición vítrea del material se define como el punto a partir del cual, las propiedades mecánicas de la matriz, disminuyen drásticamente. La matriz pasa de un estado vidrioso a uno más flexible.

TEMPERATURA

La temperatura actúa mediante diversos caminos degradando las propiedades mecánicas de la matriz del composite. Si la temperatura sobrepasa la Tg del material, las propiedades mecánicas decrecerán marcadamente. Sin embargo el módulo original se recuperará en el momento que se evite la exposición a la alta temperatura, a no ser que se haya producido algún proceso irreversible durante la exposición. Los daños irreversibles que pueden ocurrir son la aparición de volátiles, plastificación, exceso de curado de la matriz y la aparición de una tensión térmica debida a los cambios de temperatura. Esta tensión puede llegar a producir volátiles en el seno de la matriz creando zonas de altas presiones en la matriz provocando la aparición de grietas en su seno y, por tanto, un daño irreversible perdiendo definitivamente las propiedades originales del material. Por lo tanto, los valores máximos que se pueden escoger para la entrada en servicio del material pueden ser:

 La temperatura de transición vítrea, Tg.

 Evitar la descomposición del material, para materiales curados a 180ºC la temperatura de descomposición suele ser de 250ºC aproximadamente.

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 CHOQUE TÉRMICO

El choque térmico es un efecto estudiado para determinar la temperatura máxima de exposición del composite en servicio. Los ensayos de choque térmico determinan cuáles son las temperaturas máximas y mínimas en servicio. Dichos ensayos se realizan con un contenido de humedad que se considera en equilibrio durante el servicio del material. La introducción de la humedad se justifica porque el choque térmico crea daños irreversibles en la matriz en las zonas donde existen concentraciones de humedad en el composite, normalmente, en las capas cercanas a la superficie del material.

RADIACIÓN ULTRAVIOLETA

El daño producido por este fenómeno se caracteriza por la aparición de zonas erosionadas en la superficie expuesta del material. Este daño puede ser minimizado por la aplicación de pinturas que previenen los daños que se puedan originar en la matriz por la degradación de esta debida a la radiación.

Existen otras consecuencias debidas a la humedad como el aumento de volumen. Además la ósmosis, la erosión debida al viento y a procesos criogénicos de temperaturas bajo cero también afectan al laminado. Tampoco hay que olvidar que el proceso de fabricación o la configuración del lay-up también pueden afectar al comportamiento del material con respecto a la evolución de la humedad dentro del mismo.

Es evidente, pues, que las condiciones hot-wet en los composites afectan a las propiedades mecánicas del material disminuyéndolas, siendo este daño reversible en mayor medida al eliminar la humedad en el material y evitar las altas temperatura. Sin embargo durante el proceso de exposición pueden darse efectos irreversibles como la aparición de grietas, influyendo negativamente en mayor medida en la interface matriz-fibra. Respuestas a las preguntas planteadas

a) ¿Cuáles son las principales alteraciones en los materiales causadas por el cambio de temperatura?

Rta: Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades de los materiales, debidos principalmente a:

• Reblandecimiento

• Degradación

• Transformaciones de fases

• Fragilizarían

Estos cambios se dan en todos los materiales no solamente en los metálicos.

B) ¿Porque se da la corrosión en los metales?

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Rta: Porque los metales reaccionan inmediatamente con el Oxígeno, en lugares donde hay ausencia de oxigeno como en el espacio hay ausencia de corrosión.

Se denomina corrosión al proceso de destrucción de los metales y sus aleaciones, provocado por la acción química o electroquímica, Los metales pueden ser lentamente atacados por el oxígeno de la atmósfera, oxidando sus primeras capas superficiales hasta avanzar hacia el interior de sus estructuras. Sin embargo, el proceso de corrosión puede acelerarse cuando los metales están expuestos a una atmósfera con altas concentraciones de sales o compuestos químicos productos de la contaminación.

C) ¿Cuándo se incrementa la oxidación en los materiales?

Rta: Esta se incrementa cuando un átomo o moléculas ceden electrones cuando aumenta la temperatura.

D) ¿A qué temperaturas ocurre la Corrosión Electrolítica o Corrosión en Húmedo?

Rta: Corrosión Electrolítica o Corrosión en Húmedo La corrosión electrolítica es de alguna manera la responsable de la mayoría de la corrosión, que ocurre en los metales a temperatura ambiente. Este tipo de corrosión ocurre cuando dos metales con diferentes potenciales de electrodo, que están en contacto eléctrico uno con otro y en presencia de un electrólito.

E) ¿En qué ambientes se da la corrosión?

Rta: Se da en ambientes con presencia de oxígeno. La corrosión es una reacción química (oxidorreduccion) en la que intervienen tres factores: la pieza manufacturada, el ambiente y el agua, o por medio de una reacción electroquímica.

4. Identificar los distintos materiales sin tener que recurrir al análisis químico o a largos procedimientos de pruebas. Describa algunas técnicas posibles de prueba y de que se pudieran utilizar con base a las propiedades físicas de los materiales.

Propiedades físicas de los minerales

Podemos clasificar los minerales por sus propiedades físicas, ópticas, eléctricas, magnéticas y por su composición química, aunque este último no es el método habitual, ya la mayoría pueden ser identificados mediante observación espectroscópica e incluso visual. A un así, el análisis químico es la única forma de identificar con exactitud la naturaleza de un mineral. Las propiedades físicas son de gran importancia en el estudio de los minerales. Muchas se pueden observar fácilmente, o recurrir a un espectroscopio.

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Dureza de un mineral La dureza de un mineral es la resistencia que presenta a ser rayado. Un mineral posee una dureza mayor que otro, cuando el primero es capaz de rayar al segundo. El mineralogista alemán Mohs estableció en 1822 una escala de medidas que lleva su nombre, y que se utiliza en la actualidad, en la que cada mineral puede ser rayado por los que le siguen. Se toman 10 minerales comparativos de más blando a más duro, que son: talco, yeso, calcita, fluorita, apatito, ortosa (feldespato), cuarzo, topacio, corindón y diamante. Tenacidad o cohesión La tenacidad o cohesión es el mayor o menor grado de resistencia que ofrece un mineral a la rotura, deformación, aplastamiento, curvatura o pulverización. Se distinguen las siguientes clases de tenacidad: - Frágil: es el mineral que se rompe o pulveriza con facilidad. Ejemplos: cuarzo y el azufre. - Maleable: el que puede ser batido y extendido en láminas o planchas. Ejemplos: oro, plata, platino, cobre, estaño. - Dúctil: el que puede ser reducido a hilos o alambres delgados. Ejemplos: oro, plata y cobre. - Flexible: si se dobla fácilmente pero, una vez deja de recibir presión, no es capaz de recobrar su forma original. Ejemplos: yeso y talco. - Elástico: el que puede ser doblado y, una vez deja de recibir presión, recupera su forma original. Ejemplo: la mica. Fractura de un mineral Cuando un mineral se rompe lo puede hacer de diversas formas: - Exfoliación: significa que el mineral se puede separar por superficies planas y paralelas a las caras reales. Ejemplos: mica, galena, fluorita y yeso. - Laminar o fibrosa: cuando presenta una superficie irregular en forma de astillas o fibras. Ejemplo: la actinolita. - Concoidea: la fractura presenta una superficie lisa y de suave curva, como la que muestra una concha por su parte interior. Ejemplos: sílex y obsidiana. - Ganchuda: cuando se produce una superficie tosca e irregular, con bordes agudos y dentados. Ejemplos: magnetita y cobre nativo. - Lisa: es la que presenta una superficie lisa y regular. - Terrosa: es la que se fractura dejando una superficie con aspecto granuloso o pulverulento.

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Electricidad y magnetismo Muchos minerales conducen bien la electricidad (conductores), mientras que se oponen a su paso (aislantes). Unos pocos la conducen medianamente (semiconductores). Gracias a estos últimos se han desarrollado semiconductores que permiten al ser humano conseguir un alto nivel tecnológico. Pero hay más comportamientos de los minerales en relación con las fuerzas electromagnéticas: - Magnetismo: consiste en atraer el hierro y sus derivados. Los imanes naturales son permanentes. La magnetita es un imán natural conocido desde tiempos muy remotos. - Piezoelectricidad: es la capacidad para producir corrientes eléctricas cuando se les aplica presión. Si se aplica una fuerza a las caras de un cristal, genera cargas eléctricas y, si se aplican cargas eléctricas, entonces se produce una deformación de las caras del cristal. Ejemplo: el cuarzo. - Piroelectricidad: se producen corrientes eléctricas en el extremo de las caras cuando el mineral se somete a un cambio de temperatura. Ejemplos: cuarzo y turmalina. - Radiactividad: es la propiedad que poseen determinados minerales para emitir partículas de forma natural y espontánea. La radiactividad natural tiene muchas aplicaciones científicas, médicas e industriales, y los minerales que la poseen raramente alcanzan niveles peligrosos. Ejemplo: la uraninita. http://ocw.uniovi.es/file.php/39/1C_C11812_A/mineralogia/9/practicas_visu.pdf 5. Se necesitan separar físicamente distintos materiales en una planta de reciclaje de chatarra. Describa algunos métodos posibles que pudieran utilizarse para separar materiales como polímeros aleaciones de aluminios y aceros Propiedades magnéticas- pasando un imán sobre los desechos materiales podemos separar el acero, ya que este contiene hierro en su composición y este le proporciona propiedades magnéticas. Vía electrolítica- poniendo los materiales desechos en una disolución con dos electrolitos podemos separar los materiales aluminio de los polímeros ya que el

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aluminio por sus propiedades eléctricas queda adherido a los electrolitos y los polímeros quedan aislados. Por diferencia de densidad- introduciendo los materiales en una solución o una corriente de liquido se observa que los más densos serán los primeros en precipitar, de esta forma los primeros en salir en orden según su densidad serán : aceros, aluminios y polímeros 6. Estructura atómica y electrónica de los materiales. Discutir y describir en el grupo la diferencia que se tiene entre a) La Estructura atómica y electrónica de los materiales, b) la masa atómica y el número atómico, c) el número de Avogadro y el número cuántico y plasme los resultados en la estrategia de aprendizaje denominada en cuadros comparativos. (Ver en la caja de herramientas para el aprendizaje la estrategia de aprendizaje mencionada). La estructura Atómica La estructura Electrónica

Que es.

Son la unidad básica estructural de todos los materiales de ingeniería. Los átomos constan principalmente de tres partículas subatómicas básicas, protones neutrones y electrones. El modelo común consta de un pequeño núcleo de alrededor de 10-14 m de diámetro rodeado de una nube de electrones relativamente poco dispersa y de densidad variable de modo que el diámetro del átomo es del orden de 10-10 m, poseen masa atómica y Numero atómico.

Es el modo en el cual los electrones están ordenados en un átomo, molécula u otra estructura física, de acuerdo con la aproximación orbital en la cual la onda del sistema se expresa como un producto de orbitales anti simetrizado. Los electrones se van situando en diferentes niveles y subniveles por orden de energía creciente hasta estar completos.

Propiedades.

Sus propiedades mecánicas eléctricas y químicas de penden de la forma en cómo se encuentren organizados en sus átomos y de la fuerza de enlace entre ellos

Posee propiedades químicas por el número de protones en su núcleo y su número de electrones, alrededor del mismo.

Semejanzas

Hay presencia de protones neutrones y electrones.

diferencias

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.

- El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas

Es la forma en cómo están distribuidos los electrones en los diferentes niveles energéticos en un átomo, La configuración electrónica es importante

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con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.

porque determina las propiedades de combinación química de los átomos

conclusiones

Los átomos son la unidad básica estructural de todos los materiales los cuales posen propiedades mecánicas eléctrica y químicas, están constituidos por protones neutrones y electrones los cuales forman la estructura electrónica del átomo para determinar las propiedades de combinaciones químicas.

Masa Atómica Numero Atómico

Que es.

La masa atómica relativa de un elemento, es la masa en gramos de 6.02*1023 átomos (número de Avogadro, NA) de ese elemento

El número atómico de un átomo, indica el número de protones (partículas cargadas positivamente) que están en el núcleo del átomo .

Que Representa.

la masa en gramos de 6.02*1023 átomos (número de Avogadro, NA) de ese elemento.

la masa relativa de los elementos de la tabla periódica desde el 1 hasta el 105 están situada en la parte inferior de los símbolos de dichos elementos

Se representa en unidades relativas y para un solo átomo, corresponde a la suma de las masas de los neutrones y los protones, se representa con la letra A

Relación

la relación que existe entre estas dos fuentes es que las 2 tratan sobre la teoría atómica de Dalton la unidad de medida de la masa atómica es: Uma

diferencias

la masa atómica mide el número de isotopos de cada sustancia y el numero atómico mide la cantidad de átomos de cada sustancia,,,

conclusiones

El número atómico es la cantidad de protones que tiene

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el átomo ( y si el átomo es neutro, también es igual al número de electrones). el número másico es la suma de la cantidad de protones más la cantidad de neutrones. la masa atómica es la masa del átomo y es igual al número másico en unidades de u.m.a o en gramos por mol

Numero de Avogadro Numero Cuántico

Que es.

Se entiende al número de entidades elementales (es decir, de átomos, electrones, iones, moléculas) que existen en un mol de cualquier sustancia.

Los números cuánticos se denominan con las letras n, m, l y s y nos indican la posición y la energía del electrón. Ningún electrón de un mismo átomo puede tener los mismos números cuánticos.

Los números cuánticos sirven a su vez para entender la información que aporta la configuración electrónica.

De esta forma se pueden obtener los números cuánticos de los electrones de los niveles superiores

Que Representa.

La cantidad de moléculas que existen en un mol de cualquier sustancia en condiciones normales de presión y temperatura, es decir 1 atm de presión y 0c.

El número de Avogadro también es el factor de conversión entre el gramo y la unidad de masa atómica (uma): 1 g = NA uma.

La posición y la energía

del electrón, Ningún electrón de un mismo átomo puede tener los mismos números cuánticos.

conclusiones

El número de entidades (átomos) que existen en un mol de cualquier sustancia

nos indican la posición y la energía del electrón en un átomo

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7. La hoja de aluminio utilizada para guardar alimentos pesa aproximadamente 0.3 gr por pulgada cuadrada. ¿Cuántos átomos de aluminio están contenido en esta muestra de hoja? 1 mol de AL ------------------- peso 26,98 gr X de AL----------------------- peso 0,3gr X = 0,3 / 26,98 = 0,0111193 Moles de AL 0,0111193 Moles de Al X 6,02 X 1023 = 6,693847294 X 1023 atm de AL 8. El jefe de producción de una planta de galvanoplastia requiere costear a todo costo el proceso de recubrir una pieza de acero que tiene una superficie de 200 pulgadas cuadradas con un capa de níquel de 0.002 pulgadas de espesor, para tal fin se necesita conocer: a) ¿Cuántos átomos de níquel se requieren? b) ¿Cuántos moles de níquel se requieren? Volumen de la capa de níquel requerida V= Superficie X Espesor V = 200 pul2 X 0,002 pul = 0,4 pul2 Volumen Atómico 6,6 cm3 / mol = 0,4 pul3 1 pul = 2,54 cm 0,4 pul3 X (2,54 cm3 / pul)3= 6,55 pul3 Moles de Ni = 6,55cm3 / 6,6 cm3 mol = 0,992 mol Átomos de Ni 0,992 mol X 6,02 X 1023 = 5,971 X 1023 átomos de Ni

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9. Suponga que un elemento tiene una valencia de 2 y un número atómico de 27. Con base únicamente en los números cuánticos, ¿Cuántos electrones deben estar presentes en el nivel de energía 3d?

Al hacer la distribución electrónica con valencia de 2, ósea el último nivel hay 2 electrones entonces:

Numero atomico = 27

1s2 – 2s2 – 2p6 – 3s2 – 3p6 – 3d7 – 4s2

Corresponde a 4 niveles y el último 2 corresponde a Co Cobalto

3d corresponde a:

N: 3

[: 2]+1= 5 = -2, -1, 0, 1, 2

ms:+/- ½ para cada subcapa

Se tienen en subcapa orbital 2 spin

2 electrones

5 subcapas que corresponden a 10 electrones

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CONCLUSIONES

 El éxito de un estudiante de ingeniería industrial que aspire a ser un profesional exitoso depende en gran parte del conocimiento específico de un tema y de la correcta aplicación del mismo, el estudiar la unidad 1 del módulo de materiales Industriales nos brinda el conocimiento necesario para comprender a fondo las propiedades físicas y estructurales de los materiales, la forma en como esta se puede modificar por diferentes factores como el medio ambiente y el hombre, la importancia de conocer el comportamiento de los materiales radica en la manera en que el hombre le podrá dar uso adecuado para sus diferentes tareas, bien sea al momento de crear una nueva aleación o al momento de escoger un material el cual se comporte de mejor manera en un determinado medio.

 Conocer cuáles son los principales usos que le da el hombre a los diferentes materiales nos da una idea general de los agentes ambientales a los que este estará expuesto y así podremos determinar qué tipo de material u aleación es el más indicado desde su punto de vista estructural.

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BIBLIOGRAFIA

 Normas de la American Psychological Association (APA) para la confección de Referencias Bibliográficas http://www.unad.learnmate.co/file.php/445/Normas-APA.pdf.

 Caja de herramientas para el aprendizaje, Estrategias De Aprendizajes http://www.unad.learnmate.co/mod/resource/view.php?id=20575.

 Para seguir aprendiendo (medios didácticos), Elementos Didácticos Para El Aprendizaje http://www.unad.learnmate.co/mod/resource/view.php?id=20576

 Material didáctico, materiales industriales (contenido en línea)

 http://www.unad.learnmate.co/file.php/445/256599%20Materiales%20Industriales/index.html

 http://ocw.uniovi.es/file.php/39/1C_C11812_A/mineralogia/9/practicas_visu.pdf.

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