INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS PROGRAMA SINTÉTICO

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1 CARRERA: Ingeniería Mecánica PROGRAMA SINTÉTICO ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I SEMESTRE: Tercero OBJETIVO GENERAL: El alumno evaluará la influencia que ejerce el arreglo atómico en las propiedades físicas, el comportamiento mecánico y el proceso de difusión, así como, relacionará el proceso de solidificación con los diagramas de fase en equilibrio, para la solución de problemas de aplicación de materiales con base en su estructura y propiedades. CONTENIDO SINTÉTICO: I Defectos en las estructuras metálicas II Difusión. III Proceso de solidificación. IV Diagramas de fases V Propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas. METODOLOGÍA: Consulta bibliográfica por parte de los alumnos. Discusión y exposiciones en clase con la coordinación del profesor. Elaboración de resúmenes y cuadros sinópticos. Realización de mapas conceptuales Integración de equipos de trabajo para la realización de prácticas Resolución de problemas de aplicación de los temas EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Aplicación de tres exámenes departamentales Trabajos extra-clase y participación Solución de problemas Realización de prácticas BIBLIOGRAFÍA: Askeland, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial International Thomson. México Tercera edición. 479 Pág. Callister, Jr William D. Ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial Reverté, S.A. España Tomo I 459 Pág., Tomo II 788 Pág.

2 ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. CARRERA: Ingeniería Mecánica OPCIÓN: COORDINACIÓN: Academia de Ciencia de los Materiales DEPARTAMENTO: ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I SEMESTRE: Tercero CLAVE: CRÉDITOS: 10.5 VIGENTE: 2003 TIPO DE ASIGNATURA: Teórico - práctica MODALIDAD: Escolarizada TIEMPOS ASIGNADOS HRS/SEMANA/TEORÍA: 4.5 HRS/SEMANA/PRÁCTICA: 1.5 HRS/SEMESTRE/TEORÍA: 81 HRS/SEMESTRE/PRÁCTICA: 27 HRS/TOTALES: 108 PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO POR: Academia de Ciencia de Materiales. REVISADO POR: Subdirecciones Académicas de ESIME Azcapotzalco y Culhuacan. APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivos Escolares de ESIME Azcapotzalco y Culhuacan. M en C José Antonio González Vergara Ing. Fermín Valencia Figueroa AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y Programas de Estudio del Consejo General Consultivo del I.P.N.

3 ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 2 DE 14 FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA Los materiales que se emplean en ingeniería han tenido una evolución sistemática y se han mejorado considerablemente desde épocas antiguas: aún más, el desarrollo de materiales que se usan en ingeniería ha experimentado un crecimiento sin precedente en las últimas décadas y la ingeniería de los materiales realmente se ha convertido en una parte esencial de la ciencia y la tecnología modernas, prueba de ello son prácticamente cada uno de los productos industriales existentes. Así, podemos hablar ya de una ciencia de los materiales en ingeniería, misma que en nuestra sociedad ha surgido a partir de una toma de conciencia de que el desarrollo de los materiales nuevos y el mejoramiento de los materiales existentes juegan un papel muy importante para el desarrollo tecnológico ya que, algunos avances en este campo tales como el corazón artificial, el trasbordador espacial y las computadoras personales, no serían posibles sin la disponibilidad de esos nuevos materiales. Resulta obvio que el campo de los materiales está creciendo en desarrollo y complejidad en forma vertiginosa; nunca antes habían existido tantos problemas ni desafíos tan variados, lo que ha generado necesariamente la producción de materiales nuevos, así como las tecnologías para su creación; por lo tanto, para su implementación exitosa se requerirán por necesidad de ingenieros que hayan aprendido a diseñar y trabajar con estos materiales avanzados. Esta asignatura se relaciona con la asignatura de ciencia de los materiales II (del 4 semestre), Tratamientos térmicos (8 semestre) y con la asignatura de Diseño, Selección y Aplicación de materiales (9 semestre), como antecedente directo. De manera indirecta, apoya a todas las asignaturas de la carrera cuya base es el tratamiento de materiales: mecánica, resistencia de los materiales, procesos de manufactura, etc. OBJETIVO GENERAL DE LA ASIGNATURA El alumno evaluará la influencia que ejerce el arreglo atómico en las propiedades físicas, el comportamiento mecánico y el proceso de difusión, así como, relacionará el proceso de solidificación con los diagramas de fase en equilibrio, para la solución de problemas de aplicación de materiales con base en su estructura y propiedades. ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 3 DE: 14

4 UNIDAD I NOMBRE: Defectos en las estructuras metálicas El alumno interpretará la estructura cristalina y sus imperfecciones, mediante la resolución de problemas Antecedentes Tipos de materiales utilizados en Ingeniería. Relación entre estructura, propiedades y procesamiento de materiales. Estructura cristalina. Direcciones y planos en una celda unitaria. Problemas de aplicación en ingeniería B, 2B y 3B Materiales cristalinos y no cristalinos Monocristales. Policristales. Difracción de rayos X: métodos de determinación de estructuras cristalinas. Sólidos no cristalinos. Resolución de problemas planteados. Exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor, realización de prácticas en el laboratorio, reportes de resultados prácticos, planteamiento de proyecto de investigación para conclusión en la unidad IV y resolución de ejercicios en extra clase. Aplicación de una evaluación diagnóstica. Reportes de prácticas de laboratorio. Tareas extra clase entregadas. Avance de investigación documental del proyecto. ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 4 DE: 14

5 UNIDAD I continuación NOMBRE: Defectos en las estructuras metálicas El alumno interpretará la estructura cristalina y sus imperfecciones, mediante la resolución de problemas Imperfecciones cristalinas Dislocaciones de tornillo y de borde. Sistemas de deslizamiento. Defectos de punto. Defectos lineales. Defectos superficiales. Defectos de volumen. Resolución de problemas de aplicación en ingeniería. 1B, 2B y 3B Factores que influyen en el control de deslizamientos Limite de grano Tamaño de grano Aplicación del microscopio Electrónico de Barrido Resolución de problemas prácticos microscopia electrónica. Exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor, realización de prácticas en el laboratorio, reportes de resultados prácticos, planteamiento de proyecto de investigación para conclusión en la unidad IV y resolución de ejercicios en extra clase. Aplicación de una evaluación diagnóstica. Reportes de prácticas de laboratorio. Tareas extra clase entregadas. Avance de investigación documental del proyecto.

6 ASIGNATURA Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 5 DE: 14 UNIDAD II NOMBRE: Difusión El alumno evaluará el proceso de difusión de los átomos en las estructuras cristalinas, mediante la resolución de problemas, enfocados al proceso en aplicaciones metalúrgicas y no metalúrgicas Conceptos generales Estabilidad atómica. Ecuación de Arrhenius. Mecanismos de difusión Difusión por vacantes. Difusión intersticial. Energía de activación para la difusión. Primera ley de Fick Gradiente de concentración. Coeficiente de difusión y la temperatura. Factores que afectan la difusión. Tipos de difusión B, 2B y 3B. Realización de prácticas en el laboratorio, reportes de resultados prácticos, investigación documental coordinada por el profesor, reporte de avance sobre proyecto de investigación, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor y realización de tareas extra clase, resolución y discusión de problemario. Evaluación de avance de proyecto de investigación. Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas resueltas extra clase entregadas. Primer departamental de conocimientos teóricos de las unidades I y II

7 ASIGNATURA Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 6 DE: 14 UNIDAD II continuación NOMBRE: Difusión El alumno evaluará el proceso de difusión de los átomos en las estructuras cristalinas, mediante la resolución de problemas, enfocados al proceso en aplicaciones metalúrgicas y no metalúrgicas Segunda ley de Fick Definición y ecuación Aplicación en ingeniería. Resolución de problemas 1B, 2B y 3B Aplicaciones metalúrgicas de la difusión Tipos de soldadura por difusión Sinterizado y metalurgia de polvos Resolución de problemas Proceso de difusión en materiales no metálicos Compuestos iónicos Difusión en polímeros Resolución de problemas Realización de prácticas en el laboratorio, reportes de resultados prácticos, investigación documental coordinada por el profesor, reporte de avance sobre proyecto de investigación, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor y realización de tareas extra clase, resolución y discusión de problemario. Evaluación de avance de proyecto de investigación. Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas resueltas extra clase entregadas. Primer departamental de conocimientos teóricos de las unidades I y II

8 ASIGNATURA Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 7 DE: 14 UNIDAD III NOMBRE: Proceso de solidificación El alumno interpretará el proceso de solidificación de materiales empleados en ingeniería, relacionándolo con los factores de control en la manufactura de productos en la industria Principios fundamentales. Nucleación. Crecimiento. Factores que afectan el proceso. Refinación de grano B, 2B y 3B Curvas de enfriamiento. Elaboración y descripción de una curva. Sobrecalentamiento. Rapidez de enfriamiento. Temperatura de vaciado. Temperatura de solidificación. Tiempo de solidificación. Resolución de problemas Tipos de curvas. 4.5 Elaboración de un borrador del proyecto de investigación, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor, resolución y discusión de problemario. Borrador del proyecto de investigación Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas resueltas extra clase. Segundo departamental de conocimientos teóricos de las unidades III y IV

9 ASIGNATURA Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 8 DE: 14 UNIDAD III continuación NOMBRE: Proceso de solidificación El alumno interpretará el proceso de solidificación de materiales empleados en ingeniería, relacionándolo con los factores de control en la manufactura de productos en la industria Procesos de fundición. Regla de Chvorinov. Defectos de solidificación. Colada continua. Solidificación direccionada. 1B, 2B y 3B Solidificación de materiales. Solidificación de polímeros. Solidificación y unión de metales. 1.5 Elaboración de un borrador del proyecto de investigación, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor, resolución y discusión de problemario. Borrador del proyecto de investigación Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas resueltas extra clase. Segundo departamental de conocimientos teóricos de las unidades III y IV

10 ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 9 DE: 14 UNIDAD IV NOMBRE: Diagramas de fases El alumno relacionará en los diagramas de fases los cambios de microestructura del material con las variaciones en el porcentaje de componentes sólidos mediante la resolución de problemas Conceptos fundamentales. Limite de solubilidad. Fases. Equilibrio de fases. Regla de las fases de Gibbs. Soluciones y solubilidad. Concepto de solubilidad sólida ilimitada. Regla de Hume-Rothery. Métodos experimentales. Diagramas de equilibrio. Diagrama de fases de un componente. Sistemas en equilibrio de dos componentes. Reacciones invariantes. Regla de palanca. Relaciones entre propiedades y diagrama de fases. Solidificación de una aleación se solución sólida ilimitada. Solidificación fuera del equilibrio B, 2B y 3B 4.5 Reporte final del proyecto de investigación realización de prácticas en el laboratorio, reportes de resultados prácticos, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor y resolución y discusión de ejercicios en clase, entrega de tareas. Proyecto de investigación. Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas resultas extra clase. Segundo departamental de conocimientos teóricos de las unidades III y IV

11 ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 10 DE: 14 UNIDAD IV continuación NOMBRE: Diagramas de fases El alumno relacionará en los diagramas de fases los cambios de microestructura del material con las variaciones en el porcentaje de componentes sólidos mediante la resolución de problemas El sistema de equilibrio: hierro carbono. Descripción del diagrama. Diagrama de fases hierro carburo de hierro (Fe Fe 3 C). Desarrollo de micro estructuras en aleaciones de hierro carbono. Cálculos de regla de la palanca. Aplicaciones en ingeniería B, 2B y 3B Diagramas ternarios. Descripción. Aplicaciones en ingeniería. Reporte final del proyecto de investigación realización de prácticas en el laboratorio, reportes de resultados prácticos, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor y resolución y discusión de ejercicios en clase, entrega de tareas. Proyecto de investigación. Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas resultas extra clase. Segundo departamental de conocimientos teóricos de las unidades III y IV

12 ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 11 DE: 14 UNIDAD V NOMBRE: Propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas. El alumno seleccionará los materiales con base en sus propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas y térmicas, de acuerdo a su comportamiento y control en aplicaciones mecánicas Propiedades eléctricas. Ley de Ohm. Teoría de las bandas. Control de la conductividad de los metales. Conductores, semiconductores y aislantes. Mecanismos de conducción iónica. Influencia de los defectos y las impurezas. Polímeros conductores. Superconductividad. Dispositivos y aplicaciones. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Semiconductores compuestos. Dispositivos simples Microelectrónica B y 4B Realización de prácticas en el laboratorio, reporte de resultados prácticos, investigación documental coordinada por el profesor, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor, discusión de problemario en clase y resolución de ejercicios en extra clase. Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas extra clase entregadas. Tercer departamental de conocimientos teóricos de las unidad V. ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 12 DE: 14

13 UNIDAD V continuación NOMBRE: Propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas. El alumno seleccionará los materiales con base en sus propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas y térmicas, de acuerdo a su comportamiento y control en aplicaciones mecánicas Propiedades ópticas. Polarización. Constante dieléctrica y capacitancia. Disipación y pérdida en dieléctrico. Refracción y reflexión. Absorción, transmisión y dispersión. Procesos electrónicos B y 4B Propiedades magnéticas. Introducción. Los materiales y el magnetismo. Magnetización, permeabilidad y el campo magnético. Día magnetismo y paramagnetismo. Ferromagnetismo. Antiferromagnetismo. Dispositivos y aplicaciones. Imanes superconductores Propiedades térmicas. Coeficiente de dilatación térmica. Capacidad calorífica. Mecanismos de conducción térmica. Expansión térmica. Choque térmico. Aplicaciones. 6.0 Realización de prácticas en el laboratorio, reporte de resultados prácticos, investigación documental coordinada por el profesor, exposición y discusión de los temas en clase con la coordinación del profesor, discusión de problemario en clase y resolución de ejercicios en extra clase. Actividades y reportes de las practicas de laboratorio. Tareas extra clase entregadas. Tercer departamental de conocimientos teóricos de las unidad V. ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 13 DE: 14

14 RELACION DE PRÁCTICAS PRACT. NOMBRE DE LA PRÁCTICA UNIDAD DURACIÓN LUGAR DE REALIZACIÓN 1 Enlaces atómicos de los materiales I 1.5 Todas las practicas se 2 Modelos de la estructura atómica (red cristalina) I 1.5 realizan en el laboratorio de 3 Defectos cristalinos en los materiales I 1.5 Ciencias de los Materiales 4 Difusión en metales II 5 Difusión en polímeros II Solidificación de un metal de bajo punto de III 4.5 fusión( aluminio) 7 Determinación de propiedades mecánicas en IV 1.5 aleaciones metálicas 8 Determinación de microestrcutura en aleaciones IV metálicas 9 Medición de resistencia eléctrica en metales, V plásticos y cerámicos 10 Medición de la dilatación de un material V Determinación de el comportamiento de metales V en campos magnéticos 12 Medición de propiedades ópticas V 1.5

15 ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I CLAVE: HOJA: 14 DE: 14 PERÍODO UNIDAD 1 I y II Primer examen departamental 45% Trabajos extra-clase y participación 5% Solución de problemas 5% Realización de prácticas 45% 2 III y IV Segundo examen departamental 45% Trabajos extra-clase y participación 5% Solución de problemas 5% Realización de prácticas 45% 3 V Tercer examen departamental 45% Trabajos extra-clase y participación 5% Solución de problemas 5% Realización de prácticas 45% La calificación final será el promedio de los tres períodos de evaluación. CLAVE B C BIBLIOGRAFÍA X X X X Askeland, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial International Thomson. México Tercera edición. 479 Pág. Callister, Jr William D. Ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial Reverté, S.A. España Tomo I 459 Pág. Callister, Jr William D. Ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial Reverté, S.A. España Tomo II 788 Pág. Smith, William F. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Editorial. Mc Graw Hill. Mexico. Tercera edición Pág.

16 1. DATOS GENERALES INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica CARRERA: Ingeniería Mecánica SEMESTRE Tercero ÁREA: BÁSICAS C. INGENIERÍA D. INGENIERÍA C. SOC. y HUM. ACADEMIA: Ciencia de los Materiales ASIGNATURA: Ciencia de los Materiales I ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO: Ingeniero Mecánico, Metalúrgico o Industrial 2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno evaluará la influencia que ejerce el arreglo atómico en las propiedades físicas, el comportamiento mecánico y el proceso de difusión, así como, relacionará el proceso de solidificación con los diagramas de fase en equilibrio, para la solución de problemas de aplicación de materiales con base en su estructura y propiedades. 3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS Básicos de los procesos de fabricación de los materiales Propiedades Mecánicas, Físicas y Químicas de los Materiales Ferrosos, no Ferrosos, Plásticos, Cerámicos y Compuestos EXPERIENCIA PROFESIONAL Dentro del área de Procesos de Manufactura especialmente Forja, Laminación y Extrusión entre otros Experiencia dentro del área de Fundición en general. Los candidatos deberán tener como mínimo tres años de experiencia en el ramo HABILIDADES Comunicación Establecimiento de climas favorables al aprendizaje Transparencia del conocimiento Teórico a la solución de problemas Análisis y Síntesis Para motivar al auto estudio, el razonamiento y la investigación Manejo de grupos Diseño de instrumentos didácticos ACTITUDES Critica fundamentada Respecto Tolerancia Compromiso con la docencia Ética Responsabilidad Científica Colaboración Superación docente y profesional De servicio Cuidado personal Búsqueda de la justicia ELABORÓ REVISÓ AUTORIZÓ ING. JESÚS GARCÍA LÍRA M en C RICARDO CORTEZ OLIVERA M en C JOSÉ ANTONIO GONZÁLEZ VERGARA M. en C. GRACIELA VALDES M en C ALBERTO PAZ GUTIÉRREZ ING. FERMÍN VALENCIA FIGUEROA PRESIDENTES DE ACADEMIA SUBDIRECTORES ACADÉMICOS DIRECTORES DE LOS PLANTELES FECHA: Marzo del 2004.