Examen de Ciencia de Materiales UB 2019 · Final Enero 2019

Pregunta 1. Energía de enlace por familias

¿Cuál de las siguientes familias de materiales presenta por regla general una energía de enlace más elevada?

Pregunta 2. Definición de reacción peritéctica

Identifique cuál de las siguientes reacciones de equilibrio de fases corresponde a una reacción peritéctica:

3 Pregunta 3. Defecto cristalino en microfotografía

A la vista de la microfotografía mostrada a continuación, ¿qué tipo de defecto estructural cristalino se pone en evidencia principalmente?

Pregunta 4. Propiedades de aleaciones eutécticas

Señale la afirmación que resulta falsa en relación con las aleaciones de composición eutéctica:

Pregunta 5. Fundamento del ensayo Brinell

El ensayo de dureza Brinell determina la dureza a partir del cociente entre la fuerza de ensayo aplicada y:

Pregunta 6. Concepto de segregación en solidificación

En el ámbito de la solidificación de aleaciones metálicas, se entiende por segregación:

Pregunta 7. Límite elástico 0,2% para DP 1400

A partir del gráfico de tensión-deformación adjunto, estime el valor aproximado del límite elástico convencional al 0,2% ($\beta_{0,2}$) correspondiente al acero DP 1400:

Pregunta 8. Causa del endurecimiento mecánico

Al someter una pieza metálica a una solicitación mecánica, se produce endurecimiento del material exclusivamente si:

Pregunta 9. Selección de material por rigidez

Si el criterio prioritario de diseño es dotar a un componente de una elevada rigidez, ¿qué tipología de material resulta más idónea?

Pregunta 10. Eliminación de austenita retenida

¿Cuál de los siguientes procedimientos permite transformar y eliminar la austenita retenida en un acero templado?

Pregunta 11. Diagnóstico de mecanismo de rotura

A la vista de la superficie de fractura mostrada en la fotografía, determine cuál ha sido el mecanismo de fallo predominante:

Pregunta 12. Parámetro de diseño en termofluencia

En el diseño de componentes sometidos a termofluencia (creep) previstos para vidas en servicio muy prolongadas, el criterio limitante empleado comúnmente es:

Pregunta 13. Definición del límite de fatiga

El límite de fatiga de un material representa:

Pregunta 14. Espontaneidad y potenciales de reducción

Considerando condiciones estándar y los potenciales de reducción indicados en la tabla:

Semirreacción · $E^0\text{ (V)}$

$\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ · -0,126

$\text{Sn}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Sn}$ · -0,136

$\text{Ni}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Ni}$ · -0,250

$\text{Co}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Co}$ · -0,277

$\text{Cd}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cd}$ · -0,403

¿Qué conclusión es correcta respecto a la reacción $\text{Co}^{2+} + \text{Sn} \rightleftharpoons \text{Co} + \text{Sn}^{2+}$?

Pregunta 15. Propiedades de semiconductores intrínsecos

En cualquier semiconductor intrínseco se cumple de forma estricta que:

Pregunta 16. Aislamiento eléctrico en cerámicos

¿A qué se debe que los materiales cerámicos convencionales no sean conductores de la electricidad?

Pregunta 17. Coeficiente de dilatación térmica en cerámicos

El coeficiente de dilatación térmica característico de los materiales cerámicos es:

Pregunta 18. Temperatura del tratamiento de revenido

En el tratamiento térmico de revenido posterior al temple, la temperatura seleccionada debe ser:

Pregunta 19. Microestructura resultante en diagrama TTT

Analizando la trayectoria de enfriamiento 1 en el diagrama TTT representado, la microestructura final resultante estará constituida por:

Pregunta 20. Proceso de recuperación tras acritud

Durante la etapa de recuperación que experimenta un metal trabajado en frío al calentarse en horno, ocurre que:

a

La microestructura pasa a estar completamente formada por nuevos granos equiaxiales libres de tensiones.

b

Se registra una caída muy pronunciada del límite elástico, restituyendo los valores que presentaba antes de la deformación.

c

Se reduce notablemente la densidad de defectos cristalinos en el interior de los granos previamente deformados.

Pregunta 21. Conformación geométrica de cadenas poliméricas

Las cadenas moleculares individuales que constituyen los polímeros adoptan preferentemente una configuración:

Pregunta 22. Tipo de enlace en la cadena polimérica

La columna vertebral o esqueleto que define una macromolécula polimérica individual está unida mediante enlaces:

Pregunta 23. Propiedades mecánicas de termoplásticos

El comportamiento mecánico característico de los materiales termoplásticos se distingue porque:

Pregunta 24. Estructura molecular de los elastómeros

Los elastómeros son una clase particular de polímeros que estructuralmente se definen por estar:

Pregunta 25. Mecanismo de deformación en termoplásticos

En relación con los mecanismos de deformación de los polímeros termoplásticos semicristalinos:

Pregunta 26. Termoestables frente a termoplásticos

Indique cuál de las siguientes afirmaciones es correcta:

Problema 1 (2 puntos). Selección de aleación de cobre para línea de catenaria

Para los cables eléctricos de una línea ferroviaria es necesario emplear un conductor de cobre con elevada resistencia mecánica a tracción, debido a la gran separación existente entre los apoyos de sustentación de la catenaria. Se estipula que el conductor debe presentar una resistencia a la tracción mínima de $300\text{ MPa}$ y una ductilidad con alargamiento a la rotura superior al $12{,}5\%$.

Se dispone de las siguientes calidades comerciales de aleaciones de cobre:

Cobre puro

Cobre 1Sb (1% en peso de antimonio)

Cobre 3Sb (3% en peso de antimonio)

Cobre 5Sb (5% en peso de antimonio)

Paralelamente, la instalación impone requisitos eléctricos: la tensión de línea es de $3\text{ kV}$; la longitud de alimentación entre subestaciones consecutivas es de un cable de $30\text{ km}$ fabricado mediante trefilado continuo en frío con un diámetro de $12\text{ mm}$. La línea está proyectada para suministrar una corriente de $340\text{ A}$ y la temperatura media de servicio es de $20^\circ\text{C}$.

Propiedades del cobre puro:

Calidad

$\beta_0(0^\circ\text{C})\ (\beta\text{m})^{-1}$

$a\ (\beta\text{m}/\text{K})$

$A(\text{Sb})\ (\beta\text{m})$

$\beta\ (\text{kg}/\text{m}^3)$

$E\ (\text{GPa})$

Cu puro

$6 \times 10^7$

$3{,}26 \times 10^{-10}$

$2{,}3 \times 10^{-7}$

8500

102,5

Curvas de alargamiento y resistencia frente al trabajo en frío (%CW):

a)

Determinar la conductividad eléctrica mínima que debe tener el cobre para transportar la corriente fijada sin sobrepasar la caída de tensión disponible.

b)

Determinar qué calidades de cobre satisfacen el requerimiento de conductividad eléctrica a 20 °C.

d)

Identificar qué calidad de cobre puede emplearse definitivamente al satisfacer todas las exigencias impuestas a la instalación (eléctricas y mecánicas).

Problema 1 (2 puntos). Selección de aleación de cobre para línea de catenaria

Para los cables eléctricos de una línea ferroviaria es necesario emplear un conductor de cobre con elevada resistencia mecánica a tracción, debido a la gran separación existente entre los apoyos de sustentación de la catenaria. Se estipula que el conductor debe presentar una resistencia a la tracción mínima de $300\text{ MPa}$ y una ductilidad con alargamiento a la rotura superior al $12{,}5\%$.

Se dispone de las siguientes calidades comerciales de aleaciones de cobre:

Cobre puro

Cobre 1Sb (1% en peso de antimonio)

Cobre 3Sb (3% en peso de antimonio)

Cobre 5Sb (5% en peso de antimonio)

Paralelamente, la instalación impone requisitos eléctricos: la tensión de línea es de $3\text{ kV}$; la longitud de alimentación entre subestaciones consecutivas es de un cable de $30\text{ km}$ fabricado mediante trefilado continuo en frío con un diámetro de $12\text{ mm}$. La línea está proyectada para suministrar una corriente de $340\text{ A}$ y la temperatura media de servicio es de $20^\circ\text{C}$.

Propiedades del cobre puro:

Calidad

$\beta_0(0^\circ\text{C})\ (\beta\text{m})^{-1}$

$a\ (\beta\text{m}/\text{K})$

$A(\text{Sb})\ (\beta\text{m})$

$\beta\ (\text{kg}/\text{m}^3)$

$E\ (\text{GPa})$

Cu puro

$6 \times 10^7$

$3{,}26 \times 10^{-10}$

$2{,}3 \times 10^{-7}$

8500

102,5

Curvas de alargamiento y resistencia frente al trabajo en frío (%CW):

c)

Determinar qué calidades cumplen simultáneamente los requerimientos mecánicos de resistencia ($R_m \ge 300\text{ MPa}$) y alargamiento ($A \ge 12{,}5\%$).

Problema 2 (2 puntos). Proceso de nitruración en un acero

La nitruración es un tratamiento termoquímico industrial en el que se difunde nitrógeno desde la atmósfera superficial hacia el interior de un acero. La temperatura habitual del tratamiento es de $570^\circ\text{C}$.

Nota: Para simplificar los cálculos se asume que el acero se comporta como hierro puro en las condiciones del tratamiento y que la concentración inicial de nitrógeno en la matriz es nula ($C_0 = 0$).

Tablas y diagrama de apoyo:

$z$

$\text{erf}(z)$

$z$

$\text{erf}(z)$

$z$

$\text{erf}(z)$

$z$

$\text{erf}(z)$

0,10 · 0,1125

0,15 · 0,1680

0,50 · 0,5205

0,55 · 0,5633

0,60 · 0,6039

0,65 · 0,6420

0,70 · 0,6778

0,75 · 0,7112

0,80 · 0,7421

0,85 · 0,7707

0,90 · 0,7969

1,00 · 0,8427

1,10 · 0,8802

1,20 · 0,9103

a)

A partir del diagrama de fases Fe-N, determinar el porcentaje máximo de nitrógeno en peso que puede fijarse en la superficie de la pieza para evitar rigurosamente la formación de fase $\text{Fe}_4\text{N}$ en cualquier región superficial.

% N

b)

Calcular el coeficiente de difusividad del nitrógeno en la red de ferrita ($\text{Fe}-\alpha$) a la temperatura normal de tratamiento de $570^\circ\text{C}$ ($R = 8{,}314\text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$).

c)

Suponiendo que el porcentaje de nitrógeno en la superficie se mantiene constante en un $5{,}2\%$ en peso, determinar el tiempo de tratamiento necesario (en segundos y horas) para alcanzar una concentración de $4{,}5\%$ de nitrógeno a una profundidad de $0{,}7\text{ mm}$.

s

h

Problema 3 (2 puntos). Tolerancia al daño y fluencia en Airbus A320

Un avión comercial vuela a una altitud media de crucero de 10.000 m, donde la temperatura exterior es de $-20^{\circ}\text{C}$ y la presión atmosférica puede asumirse prácticamente nula frente al interior. La velocidad de crucero es de 825 km/h. La cabina del fuselaje está presurizada a 0,08 MPa y puede modelizarse como un tubo cilíndrico de pared delgada de 4 m de diámetro y un espesor de chapa de 3 mm, construido con la aleación de aluminio Al 7050-T6.

Propiedades del aluminio 7050-T6 a $-20^{\circ}\text{C}$:

Propiedad

Valor

Módulo de elasticidad ($E$)

$105\text{ GPa}$

Resistencia a la tracción ($R_m$)

$530\text{ MPa}$

Límite elástico ($\sigma_y$)

$420\text{ MPa}$

Coeficiente de Poisson ($\nu$)

0,33

Alargamiento

5,7%

Tenacidad de fractura ($K_{Ic}$)

$35{,}4\text{ MPa}\sqrt{\text{m}}$

Dureza Vickers

$162\text{ HV}$

Densidad ($\rho$)

$2{,}83\text{ g/cm}^3$

Módulo de cizalladura

$33{,}4\text{ GPa}$

a)

En una hilera horizontal de remaches se han generado grietas de fatiga que han coalescido formando una única fisura longitudinal pasante en el fuselaje. Estimar la longitud crítica de grieta ($2a$), adoptando un factor de seguridad de 2 sobre la tensión circunferencial y un factor de forma geométrico $Y = 1{,}7$.

Nota: La tensión en la pared cilíndrica delgada presurizada responde a la ecuación $\sigma = \frac{P \cdot r}{t}$, donde $r$ es el radio del fuselaje y $t$ el espesor.

b)

En la turbina de los reactores del avión se alcanzan temperaturas del orden de $800^{\circ}\text{C}$ y los álabes se fabrican en superaleación NIMONIC 90, soportando en momentos de máxima potencia tensiones de tracción centrífuga de hasta $245\text{ MPa}$. Determinar el número máximo de horas de vuelo continuadas admisibles antes de sustituir los álabes para prevenir la rotura por fluencia térmica (termofluencia/creep), empleando un coeficiente de seguridad de 1,5 sobre la tensión de trabajo y el gráfico de Larson-Miller correspondiente: