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UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA
JOHN G. SIMBAQUEBA
CODIGO 79 643 119
ALBERTO LUIS ROYS VALDEBLANQUEZ
CÓDIGO: 77092849
FAUSTO ENRIQUE DÍAZ GARCÍA
CÓDIGO 77090465
TRABAJO COLABORATIVO NO 2
MATERIALES INDUSTRIALES
GRUPO: 256599_71
TUTOR
EDWIN BLASNILO RUA
UNIVERIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA (UNAD)
COLOMBIA OCTUBRE DE 2014
INTRODUCION
Sin duda alguna nuestro mundo cambia a diario y evoluciona a diario gracias al desarrollo de nuevas
tecnologías que poco a poco cambian y mejoran nuestro diario vivir, para esto el hombre ha tenido que
evolucionar de la mano de nuevas alternativas que le permitan hacerse mas competente y desarrollar nuevas
estructuras que soporten las inclemencias de las diversas variables que gobiernan nuestro vivir, por tal
motivo el hombre ha necesitado la creación de nuevos materiales más resistentes a la tenacidad, presiones,
temperaturas, materiales que soporten grande fatigas, que soporten de manera la abrasión, el óxido, el
desgaste y debido a esa necesidad ha desarrollado la ciencia de los materiales, en donde a diario se estudian
nuevas alternativas de aleación, de tratamientos térmicos que permitan descifran con exactitud el
comportamiento de los materiales en cada uno de sus estados y en cada una de su fases de cambios y es así
como a través Los diagramas de equilibrio que son gráficas que representan las fases y estado en que pueden
estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. A podido el
hombre ir llevando una idea más clara de lo que sucede en estos procesos de mezclas y obtención de nuevos
materiales más resistentes, La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de
equilibrio, siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos
del comportamiento de materiales; debido a que aportan valiosa información sobre la fusión, el moldeo, la
cristalización y otros fenómenos.
Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen
aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. Por otra parte, los diagramas de
fases son de gran importancia pues apoyan, entre otros, estudios de solidificación,
microestructura, metalurgia física y el "diseño de nuevos materiales".
La ciencia de los materiales surgió después de la Segunda Guerra Mundial, como respuesta a la necesidad de
producir materiales con propiedades especializadas. Los primeros intentos de modificar científicamente las
propiedades de la materia se remontan a principios del siglo pasado, cuando los conocimientos de
cristalografía, estado sólido y física atómica convirtieron el arte de la metalurgia en ciencia. De allí parte la
creación de nuevas aleaciones, como el acero, que es el resultado de la aleación de hierro y carbono en
diferentes proporciones. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los
cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Es utilizado, por
ejemplo, en construcción, cascos de barcos, maquinaria, carrocería de automóviles, equipos químicos, etc.
OBJETIVOS
Conocer acerca de los diversos procesos que se dan en la obtención de nuevos materiales y la ciencia que se
ha creado detrás de este mundo de la aleación y mejoramientos continuos de materiales, procesos térmicos
entre otros.
Manejar los conceptos referentes a la transformación de materiales y las técnicas utilizadas para la obtención
de los mismos, al igual que conocer la técnica usada en los diagramas de fases y como a través de estos
podemos entender gráficamente el proceso que se lleva a cabo en la aleación, mezcla y obtención de nuevos
materiales y cómo interactúan las variables como temperatura, presión vapor entre otras en el proceso de
fusión, solidificación, cristalización de estos materiales.
Conocer acerca de las distintas clases de aceros existentes de acuerdo a su clasificación química, sus
propiedades, mejoras y diferentes usos.
Conocer los procesos que se lleva a cabo en la obtención de acero, al igual que las técnicas empleadas para
llevar a cabo los procesos térmicos.
Conocer los diferentes elementos o materiales involucrados en la obtención de nuevos materiales más
resistentes, al igual que su propiedad, características y aportes en la consecución de nuevos materiales y
como elementos como el cromo, aluminio, níquel y muchos otros elementos han podido contribuir para la
obtención de materiales mucho más resistentes a los obtenidos naturalmente de nuestra tierra.
2. Diagrama de fase de sustancias puras: Haga una breve descripción del diagrama de fases (p-T) y
diagrama p-v-T de los estados de equilibrio de una sustancia pura.
Se denomina a la a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas
para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a
estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a
distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está
en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.
Los diagramas de equilibrio más sencillos son los de presión - temperatura de una sustancia pura, como
puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura.
Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las
siguientes zonas:
Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen
cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.
Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA, TB) se encuentran en
estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase única líquida. Esto quiere decir que no podemos
establecer diferencias de comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los
metales en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida, XA + XB,
la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento, llegamos a obtener el producto que se
denomina aleación de los metales A -B.
SUSTANCIA PURA Es toda sustancia que tiene su composición química homogénea e invariante
Ejemplo: el agua, el nitrógeno, el oxígeno, el amoníaco y etc.
La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: sólido, líquido y gaseosa. Dependiendo de los valores
de presión y temperatura una sustancia puede estar como sólido, líquido o vapor o presentarse en dos o tres
fases a la vez.
LA SUPERFICIE P-v-T
Desde el punto de vista matemático, cualquier ecuación con dos variables independientes en la forma
z=z(x,y) representa en un espacio tridimensional una superficie rectangular, por tanto, es posible representar
el comportamiento P-v-T de una sustancia como una superficie en el espacio, como muestra la Figura 1.28.
Todos los puntos sobre la superficie representan estados de equilibrio. La totalidad de los estados a lo largo
de la trayectoria de un proceso yacen sobre la superficie P-v-T, puesto que tal proceso debe pasar por
estados de equilibrio. Las regiones de una fase aparecen como superficies curvas sobre la superficie P-v-T, y
las regiones de dos fases como superficies perpendiculares al plano P-T. Era de esperarse puesto que las
proyecciones de las regiones de dos fases sobre el plano P-T son líneas. Todos los diagramas
bidimensionales vistos hasta ahora, sólo son proyecciones de esta superficie tridimensional sobre los planos
apropiados.
3. describa las diferentes reglas de diagramas de fases para sustancias puras o binarias con materiales
ferrosos o no ferrosos. Diagrama de una sustancia pura
Diagrama de una sustancia pura
Existen diferentes diagramas según los materiales sean totalmente solubles en estado sólido y líquido o sean
miscibles a que sean insolubles. También pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de
equilibrio más clásico es el de los aceros que tiene particularidades y donde afecta claramente la
concentración y las diferentes cristalizaciones que puede darse en el hierro estando en estado sólido y a
diferentes temperaturas.
Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de fase entre:
Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;
Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación;
Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa);
Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción).
Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto
crítico (La densidad del líquido y vapor son iguales). Más allá de este punto, la materia se presenta como un
fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases. Modificando la presión y
temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés
industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener café descafeinado.
Es preciso anotar que, en el diagrama P-T del agua, la línea que separa los estados líquido y sólido tiene
pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la presión el hielo se
funde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la fase líquida.
Diagrama binario
Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un
caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en
cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.
Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:
Sólido puro o disolución sólida
Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide)
Mezcla sólido - líquido
Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión) o un líquido completamente
homogéneo.
Mezcla líquido - gas
Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).
En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:
Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.
Línea de sólidos, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.
Línea eutéctica y Eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones
eutécticas y Eutectoide, respectivamente.
Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser
soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).
Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:
Eutéctica, Eutectoide, Peritéctica, Peritectoide, Monotéctica, Monotectoide, Sintéctica, Catatéctica
Diagramas de solubilidad total
Solubilidad total en estado sólido
Presentan únicamente líneas de líquidus y sólidus, forman soluciones sólidas substitucionales
Solubilidad parcial
En el sistema binario de solubilidad parcial habrá solubilidad total hasta un determinado porcentaje de cada
elemento (límite de solubilidad), y luego de este límite habrá un estado de insolubilidad. Dejando aparte el
caso en la región donde coexisten líquido y sólido (caso anterior) en estos gráficos, en la región del sólido se
puede determinar el porcentaje (%) de β y de α usando la regla de la palanca. Así mismo se puede
determinar también la composición química de estas dos fases (no indicada en los gráficos) que van
variando debido a la presencia de la curva solvus. En forma aproximada se puede determinar también el
porcentaje de los constituyentes: en el caso de la figura de la derecha estos son 1) solución sólida β y 2)
eutéctico (formado por α+β).
Ley De Fases De Gibbs.
A partir de consideraciones termodinámicas, J. W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular
el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación llamada regla de
las fases de Gibbs, es
P + F = C + 2
Donde, P = número de fases que pueden coexistir en el sistema,
C = número de componentes en el sistema
F = grados de libertad
Usualmente, un componente C es un componente, un compuesto o una solución en el sistema. F son
los grados de libertad, es decir número de variables como (presión, temperatura y composición) que se
pueden cambiar independientemente sin variar el número de fases en equilibrio en el sistema.
Considere la aplicación de la regla de Gibbs al diagrama a continuación de fases presión-temperatura
PT del agua pura ver (figura5) en el punto triple coexisten tres fases en equilibrio y como hay un
componente en el sistema (agua), se puede calcular el número de grados de libertad.
Regla De La palanca.
Esta fórmula matemática consiste en encontrar las cantidades de % de sustancia en los diagramas de fases,
Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), y es válida para cualquier
diagrama de fase binario. La regla de la palanca da a conocer la composición de las fases y es un concepto
comúnmente utilizado en la determinación de la composición química “real” de una aleación en equilibrio a
cualquier temperatura en una región bifásica.
En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas se deberá calcular
la cantidad de cada fase. Y la técnica es hacer un balance de materiales.
Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la isoterma con su punto
de apoyo en la composición original de la aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la
composición de la fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener
cantidad de dicha fase.
4. Efecto de la temperatura de deformación: Muestre en un cuadro comparativo (ver caja de herramientas para el aprendizaje) los efectos de la temperatura sobre los diferentes tipos de materiales.
5. Tipos de aceros y sus aplicaciones: Elaborar un mapa conceptual utilizando el software CmapTools del contenido de la unidad 2 pdf, desde la página 39 hasta la página 47 relacionada con los aceros. (Ver en la caja de herramientas para el aprendizaje la estrategia de aprendizaje mencionada).
TIPOS DE METALES EFECTOS DE LA TEMPERATURA
METÁLICOS
El calor hace que se dilate El frío provoca el efecto contrario, es decir, que se
contraiga.
POLÍMEROS
A temperaturas altas, los polímeros se vuelven líquidos muy viscosos en el que puede pasar rápidamente de una conformación a otra
Al enfriarlo, se vuelve cada vez más elástico
CERÁMICO
Pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios, son empleados como aislantes.
COMPUESTOS 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.
7. Aluminio, Cobre, Níquel, Magnesio, Titanio y sus aleaciones: Complete la siguiente matriz apoyado en la unidad 2, (modulo 2 pdf) del contenido del curso.
Material Material y su aleacion Características termicas Características fisicas Características mecanicas Aplicaciones
Aluminio
Metal Aleaciones -Aluminio puro -Aluminio- cobre -Aluminio-silicio -Aluminio-cinc -Aluminio-magnesio -Aluminio-manganeso.
Punto de fusión: 660.24ºC para el aluminio de 99.996%. Calor de fusión: 92 calorías/gr. Aproximadamente, Punto de ebullición: 2056ºC bajo 760mm de Hg, Coeficiente de dilatación: El coeficiente de dilatación lineal del aluminio de purezas 99.996% en estado sólido crece rápidamente con la temperatura: a -188ºC el coeficiente de dilatación es 8.8x106, a 20ºC el coeficiente de dilatación es 22.4x106 y a 300ºC el coeficiente de dilatación es igual a 28.4x106. A bajas temperaturas desde -191ºC hasta 16ºC es igual a 18.35 Calor especifico
Color. Es un metalblanco, con una altareflectividad (Brillante) de la luz y el calor,Conductividad Térmica. Capacidad deconducción del calor através del mismo. (de 80a 230 W/ m.K)Densidad 2.7 vecesmayor que la del aguaPunto de fusión es más bien bajo, en torno a los660ºC Conductividad eléctrica, se encuentraentre los 34 y 38 m/Ωmm2 Resistente a lacorrosión, gracias a lacapa resiste a losproductos químicos,puede estar expuesto ala intemperie, al mar, etc.
Dureza: Es la resistencia que ofrece un material para dejarse penetrar, Maleabilidad: En los materiales alumínicos se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento 0,2% Cambios de estado. Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden producir modificación Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto). Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otra materia
TransporteEstructuras portantes de aluminio en edificios.Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas, tetrabriks, etc. Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc. Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc.Transmisión eléctrica. Un conductor de aluminio de misma longitud y peso es más conductivo que uno de cobre y más barato..Recipientes criogénicos (hasta -200 °C), ya que contrariamente al acero no presenta temperatura de transición dúctil a frágil. Por ello la tenacidad del material es mejor a bajas temperaturas.Calderería.
Cobre
Bronce (Cobre y estaño) -Aleaciones Cobre-Zinc (latones) -Aleaciones Cobre-Zinc-plomo(latones plomados) -Aleaciones Cobre-Zinc-estaño (latones de estaños)-Aleaciones cobre-aluminio(bronces de aluminio)
Densidad(kg/m3)=8900, -Calor específico (J/(kg·K))389 -Conductividad térmica (W/(m·K))372-385 -Difusividad térmica (m2/s) (x10-6)
Símbolo Cu,El peso atómico delcobre es de 63,54,Densidad de 8920kg/m3, Punto defusión de 1083ºC (1356aprox. K),Resistente a lacorrosión y oxidación,Alta conductividadeléctrica y térmica.
Buenas propiedades de mecanizado -Dúctil y maleable -Tratable térmicamente (Temple y recocido) -Buena soldabilidad
Electricidad y telecomunicacionesMedios de transporteConstrucción y ornamentaciónMonedas
Niquel
Aleación niquel-cobre(Monel) Aleación niquel-cromo(Inconel) Aleación es Niquel-cromo-hierro(Nichrome) Aleaciones niquel-hierro(invar y el Kovar)
Conductividad térmica / W m-1K-1: 90.7Punto de fusión / °C: 1455Punto de ebullición / °C: 2913Calor de fusión / kJ mol-1: 17.6Calor de vaporización / kJ mol-1: 374.8Calor de atomización / kJ mol-1: 427.659
Símbolo Ni Numero atomico 29, Estructura cridtalina FCC, Punto de fusion de 1453ºC(2647ºF aprox), Resistente a la corrosion y oxidacion, Alta conductividad electrica y termica
Resistencia a la corrosiónTensión internaDureza
Crisoles de laboratorios químicos.Catalizador de la hidrogenación de aceites vegetales.Se emplea para la acuñación de monedas, El metal es la opción más económica para hacer oro blancoJoyería.
Magnesio
Aleaciones forjadas (láminas, placas y piezas forjadas) Aleaciones fundidas
Densidad (kg/m3) 2700Calor específico (J/(kg•K)) 909Conductividad térmica (W/(m•K)) 209-232Difusividad térmica (m2/s) (x10-6)85,16-94,53.
Símbolo MgNumero atómico 12Estructura cristalina HCPPunto de fusión de650ºC (1202 ºF aprox.)Densidad 1.74g/cm3
De fácil mecanizado. Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas. Bastante dúctil, permite la fabricación de cables eléctricos. Material blando (Escala de Mohs: 2-3). Permite la fabricación de piezas por fundición, forja y extrusión. Material soldable
Como material refractario en hornos para la producción de hierro y acero, metales no férreos, cristal y cemento, En agricultura e industrias químicas y de construcción. En flashes fotográficos, pirotecnia y bombas incendiarias
Titanio
Aleaciones de titanio alfaAleaciones de titanio betaAleaciones de Ti +
Conductividad térmica / W m-1K-1: 21.9Punto de fusión / °C: 1668Punto de ebullición / °C: 3287Calor de fusión / kJ mol-1: 20.9Calor de vaporización / kJ mol-1: 425.5Calor de atomización / kJ mol-1: 467.14
Símbolo TiNumero atómico 22Estructura cristalina HCPPunto de fusión de 1668ºC (3034 ºF aprox.)Densidad 4.505g/cm3Paramagnético. No seimanta.Peso atómico del titanioes de 47,867 u.Poca conductividad. Noes muy buen conductordel calor ni de laelectricidad
Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.Permite fresado químico.Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.Dúctil, permite la fabricación de alambre delgado.Duro. Escala de Mohs 6.Muy resistente a la tracción.Gran tenacidad.Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.Material soldable.Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.Mantiene una alta memoria de su forma
Industria energéticaIndustria automovilísticaIndustria militarIndustria aeronáutica y espacialConstrucción navalIndustria relojeraJoyeríaInstrumentos deportivos
CONCLUSION
Gracias al esfuerzo realizado por muchos investigadores, ingenieros y otros ha permitido el desarrollo de
enormes avances en el campo de los nuevos compuestos, aleaciones y procesos térmicos que han permitido
desarrollar nuevos materiales más resistentes y fuertes. La producción de nuevos aceros empezó a
extenderse a los materiales como los polímeros y las cerámicas, obligando a crear
nuevas investigaciones sobre las propiedades de la materia.
En las investigaciones destaca la búsqueda de propiedades específicas orientadas a lograr la eficiencia global
de los procesos, se incide así en aspectos como la resistencia a las altas temperaturas, la resistencia
mecánica, la resistencia a la corrosión, así como una mayor eficiencia energética, a la par de reducciones en
la densidad y en peso, o bien, capacidades conductoras ampliadas, texturas, transparencia, etc. Estas
características se han logrado obtener por combinaciones y procesos.
Por otro lado los diagramas de fases han sido de gran ayuda para el desarrollo de estos nuevos materiales.
Debido a que al aplicarle a un material cierto tratamiento térmico (temple, recocido, revenido o
normalizado), el diagrama de fases ayuda a predecir, por ejemplo, a que temperatura el material lograría la
solidificación, a que temperatura fundiría, a que temperatura lograría el equilibrio cierta aleación, averiguar
la solubilidad, etc.
BIBLIOGRAFIA
El desarrollo de esta activida se logro gracias a la información encontrada en las paginas de internet relacionadas a continuación:
: http://www.monografias.com/trabajos96/diagramas-equilibrio/diagramas-equilibrio.shtml#ixzz3GGeKHXad