UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGIAS ESCUELA DE TECNOLOGIA MECANICA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES CODIGO:

Transcripción

1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGIAS ESCUELA DE TECNOLOGIA MECANICA ASIGNATURA: CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES CODIGO: TM44 AREA: MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA REQUISITO: QUÍMICA GENERAL (1440) HORAS SEMANALES: 5 HORAS TEORICAS: HORAS PRACTICAS: CREDITOS ACADEMICOS: 4 HORAS SEMANALES DE ESTUDIO INDEPENDIENTE: 8 SEMESTRE: 4to FECHA DE REVISION: Junio de 005 JUSTIFICACIÓN Para el Tecnólogo Mecánico, el conocimiento de la estructura interna, la composición de los materiales y su relación con el comportamiento de estos, constituye una base fundamental para el diseño y/o construcción de elementos mecánicos, ya que así podrá estimar o determinar el comportamiento del material ante las solicitaciones que esté sometido. Este curso pretende que el estudiante se apropie de los conceptos y adquiera habilidades para abordar el estudio de los materiales de uso específico en ingeniería, facilitándole una mejor comprensión de temas como: selección de materiales, soldadura, conformado, tribología, etc, temas de gran actualidad en la industria actual. TRANSVERSALIDAD DEL CURSO Ciencia e ingeniería de materiales es un curso que para su comprensión requiere del conocimiento de temas vistos en asignaturas como Química general, Dibujo de máquinas, Introducción a la Tecnología Mecánica I y II y Física I. Por otro lado, esta asignatura es fuente de conocimiento para otras como Termodinámica, Resistencia de materiales, diseño de máquinas y Mantenimiento industrial, lo que demuestra la importancia que docentes y alumnos de todas estas disciplinas deben mantener para lograr una continua interacción en pro de utilizar y adquirir competencias que la transversalidad permite lograr, lo cual es posible de lograr a través de procesos de enseñanza eficaces y eficientes. Otra forma de mejorar las competencias que el alumno adquiere en el paso por esta asignatura, se logra a través de la interacción con la industria, a través de visitas técnicas y trabajos académicos realizados en ellas. Igualmente se debe incentivar la investigación en los alumnos donde la transversalidad en este campo se logra a través del trabajo interdisciplinario con otros programas y centro de investigación afines. COMPETENCIAS El estudiante debe mostrar la capacidad para intervenir problemas académicos durante su paso por la universidad y laborales una vez finalizada la academia a través de la adquisición de un conjunto de conocimientos, habilidades y actitudes adquiridas denominadas competencias. Tales competencias se hacen explicitas en el saber, el saber hacer y el saber ser, manifestadas no sólo en la formación sino en la actuación del alumno. El estudiante, apoyado en el proceso de formación en la disciplina ciencia e ing. de materiales, deberá desarrollar y consolidar las siguientes competencias: 1

2 Específicas disciplinares Establecer los conceptos básicos relacionados con la estructura de los materiales logrando una modelización del carácter cristalino de los mismos que permita analizar las imperfecciones típicas de la estructura. Comprender el fenómeno de la solidificación de metales y aleaciones identificando las condiciones energéticas que la rigen y los mecanismos presentes en la transformación liquido - sólido. Reconocer las principales imperfecciones cristalinas presentes en materiales reales Comprender el fenómeno de la difusión en los metales, las principales leyes que la rigen y su relación con los cambios microestructurales. Diferenciar las propiedades que caracterizan a los materiales y estudiar en detalle las propiedades mecánicas con relación a su significado, medición y utilización en el análisis de sistemas mecánicos. Conocer los conceptos básicos sobre los diferentes sistemas de aleaciones y los diagramas de estado, además de saber interpretar los diagramas de estado, correlacionando la composición y la estructura de las aleaciones en los procesos de enfriamiento en condiciones de equilibrio. Interpretar la información que ofrecen los diagramas de equilibrio FeC ESTABLE Y METAESTABLE, correlacionando la estructura, composición y propiedades en las aleaciones férreas. Comprender la importancia de los tratamientos térmicos como medio de cambio y obtención de propiedades en los materiales Conocer los principales mecanismos usados para fortalecer aleaciones metálicas en función del diagrama de estado y los cambios de fase ocurridos durante el tratamiento térmico Estudiar aspectos básicos de los principales materiales utilizados en ingeniería, entre metálicos y no metálicos, tales como tipos, usos y propiedades. Comprender el fenómeno de la corrosión y el desgaste, como fuente de innumerables pérdidas físicas y económicas en la industria. Específicas profesionales Saber aplicar el conocimiento de las propiedades de los materiales en la selección correcta del proceso de manufactura y la posterior aplicación de los materiales de ing. Saber identificar los parámetros de especificación, selección y desempeño de los diferentes materiales usados en ingeniería. Saber integrar criterios de tipo ambiental, técnico, económico, legal y social, en la solución de situaciones prácticas de la ciencia e ingeniería de materiales. Saber usar diferentes máquinas de pruebas en las que obtenga resultados, que puedan ser utilizados en la correcta selección de materiales, para ser aplicados en diseños de partes de ingeniería. Competencias generales Capacidad de lectura, análisis, interpretación y síntesis de información para promover el autoaprendizaje con creatividad, motivación e iniciativa. Capacidad de aplicación de recursos como software básico y especializado a la solución de problemas que simulan la realidad de los procesos de la temática. Capacidad de trabajo en grupo bajo las políticas del trabajo cooperativo, el saber escuchar y el saber expresarse en un entorno de participación, respeto, liderazgo y demás valores morales. Capacidad de pensamiento y reflexión para la identificación así como la toma de decisiones en situaciones problemáticas no contempladas durante la formación. Capacidad de razonamiento crítico relacionado con la energía, sus aplicaciones y la importancia que el perfeccionamiento en el dominio de la tecnología, tiene sobre el desarrollo social.

3 CONTENIDO DEL CURSO CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES 1. ESTRUCTURA ATÓMICA, CRISTALINA Total horas: Introducción: Clasificación de los materiales de ingeniería 1. Estructura atómica: Modelos atómicos y fuerzas interatómicas Enlaces: iónico, covalente, metálico, secundarios 1. Estructura cristalina: Apilamiento, celda unitaria y cristal ideal Principales estructuras cristalinas de materiales metálicos, Parámetros de la estructura cristalina, direcciones y planos principales (Índices de Miller), factor de empaquetamiento, número de átomos por celda, números de coordinación 1. Factores asocias a la estructura cristalina: Densidad volumétrica, planar y lineal de materiales metálicos, Cristal ideal vs cristal real, Difracción de rayos X para determinar parámetros de red 4 BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 1 1. SMITH, F. WILLIAM. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc GRAW-HILL, 199. ASKELAND, La ciencia e ingeniería de materiales, IBEROAMERICANA, SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros, PHH, AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició 001 Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. 7. Notas de clase. SOLIDIFICACIÓN DE METALES Y ALEACIONES, IMPERFECCIONES CRISTALINAS Y DIFUSIÓN Total horas: Condiciones energéticas para la solidificación. Energía libre de Gibbs Solidificación homogénea y heterogénea Mecanismos de cristalización. Estructura del lingote. Defectos debidos a la solidificación (Contracción, Porosidad, segregación).. Imperfecciones cristalinas. - Clasificación de las imperfecciones cristalinas De punto (vacancias) De línea Dislocaciones (de borde, de tornillo, mixtas)} Defectos superficiales

4 Defectos tridimensionales (poros, grietas, deformaciones) Recristalización.. Difusión en sólidos cristalinos Descripción del fenómeno. Significado de la difusión. Mecanismos de difusión. Movilidad de los átomos. Leyes de Fick. Efecto kirkendall. Factores que afectan la difusión. Aplicaciones del fenómeno de la difusión. BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 1. SMITH, F. WILLIAM. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc GRAW-HILL, 199. ASKELAND, La ciencia e ingeniería de materiales, IBEROAMERICANA, SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros, PHH, AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició 001 Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. 8. Notas de clase. 9. Porter, D.A., Easterling, K.E. "Phase Transformations in Metals and Alloys", ª ed., Chapman&Hall, London, PROPIEDADES FISICAS Y MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Total horas: 8.1. Clasificación de las propiedades de los materiales. Principales propiedades físicas de los materiales Propiedades mecánicas y su medición. Deformación plástica en monocristales y policristales. Ensayos mecánicos Ensayo de tensión. Ensayo de dureza. Ensayos de impacto. Fractura de los materiales (tenacidad a la fractura). Ensayo de termofluencia Ensayo de fatiga 5 BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 1. SMITH, F. WILLIAM. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc GRAW-HILL, 199. ASKELAND, La ciencia e ingeniería de materiales, IBEROAMERICANA, SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros, PHH, AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició 001 Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. 10. Notas de clase. 9. HANDBOOK, TOMO I, Propiedades y selección de hierro, acero y aleaciones de alta exigencia, ASM, 4

5 10. HANDBOOK, TOMO II, Propiedades y selección de aleaciones no ferrosas y materiales de usos especiales, ASM, 4. SISTEMAS DE ALEACIONES, DIAGRAMAS DE ESTADO Y DIAGRAMA Fe-C Total horas: Sistemas de aleaciones Mezclas mecánicas. Compuestos químicos. Soluciones sólidas. 4. Diagramas de estado. Reglas de fase y la ley de la palanca. Diagramas de estado con insolubilidad total en estado sólido. Diagramas de estado con solubilidad total en estado sólido. Diagramas de estado con solubilidad parcial en estado sólido. Diagramas de estado de dos componentes que presentan transformaciones polimórficas. 4. Diagrama Fe-C. Estudio de transformaciones eutécticas y eutectoides en el diagrama FeC Reconocimiento de las microestructuras obtenidas a partir del diagrama FeC Correlacionar las estructuras con las propiedades de los materiales estudiados en el diagrama FeC. 5 BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 4 1. SMITH, F. WILLIAM. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc GRAW-HILL, 199. ASKELAND, La ciencia e ingeniería de materiales, IBEROAMERICANA, SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros, PHH, AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició 001 Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. 7. Notas de clase. 8. Porter, D.A., Easterling, K.E. "Phase Transformations in Metals and Alloys", ª ed., Chapman&Hall, London, Callister,Jr., W. D. "Ciencia e ingeniería de los materiales", Tomos 1 y. Ed. Reverté, Barcelona, TRATAMENTOS TÉRMICOS Y MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE ALEACIONES METÁLICAS Total horas: Conceptos fundamentales sobre tratamientos térmicos Puntos críticos Diagrama T.T.T y su aplicación industrial Templabilidad, ensayo Jominy, curvas y bandas de templabilidad, medios de enfriamiento 5. Clasificación de los tratamientos térmicos Tratamientos térmicos volumétricos (recocido, normalizado, temple, revenido) 4 Tratamientos Isotérmicos Tratamientos termoquímicos, cementación, carbonitruración, nitruración. 5. Generalidades sobre mecanismos de endurecimiento de aleaciones metálicas Endurecimiento por reducción del tamaño de grano. Endurecimiento por deformación plástica. 5

6 Endurecimiento por solución sólida. Endurecimiento por presencia y control de dos fases que se forman simultáneamente. Endurecimiento por precipitación y dispersión de segundas fases en una matriz blanda. BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 5 1. VALENCIA ASDRUVAL, Tecnología del tratamiento térmico, UdeA, 199. AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició SHAEFER., XASENA., ANTOLOVICK., SANDERS., WARNER. Ciencia y Diseño de Materiales para Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. 5. Notas de clase. 6. MATERIALES DE INGENIERÍA Total horas: Tipos, propiedades y usos de materiales metálicos usados en ingeniería (aceros, fundiciones, aleaciones de Al, Cu, Mg, Ti, bronce, latón, etc). 6. Tipos, usos y propiedades de materiales poliméricos (Termoplásticos, termoestables y elastómeros) 6. Tipos, usos y propiedades de materiales cerámicos (tradicionales y de ingeniería y vidrios) Tipos, usos y propiedades de materiales compuestos (reforzados con fibras, laminares y otros como concreto, madera). BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 6 1. MESA G. Dairo. Introducción al estudio de Materiales o Metálicos, Ed UTP, 004. MESA G. Dairo. Introducción al estudio de la Tecnología y Metalurgia de las Fundiciones de Hierro, Ed UTP, MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició SHAEFER., XASENA., ANTOLOVICK., SANDERS., WARNER. Ciencia y Diseño de Materiales para Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. 7. PROPIEDADES DE SUPERFICIE (CORROSIÓN Y DESGASTE) Total horas: Generalidades sobre corrosión Variables que afectan la corrosión de los materiales Tipos de corrosión Estudio de casos de corrosión y soluciones 7.. Generalidades sobre desgaste de materiales Factores que afectan el desgaste de materiales Tipos de desgaste y Mecanismos de desgaste Como estudiar el desgaste y propuesta de soluciones. 4 BIBLIOGRAFÍA DEL CAPITULO 7 1. Notas de clase. AVNER SIDNEY H, Introducción a la metalurgia física, Mc GRAW-HILL, SMITH, F. WILLIAM. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mc GRAW-HILL, ASKELAND, La ciencia e ingeniería de materiales, IBEROAMERICANA,

7 5. MANGONON, P.L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño,, Ed. Prentice Hall, Mexico, 1ª Edició 001 Ingeniería. Ed CECSA, México, 000, 796P. METODOLOGÍA Preparación del tema por parte del profesor y exposición oral usando proyector de acetatos o video beam Al inicio de cada clase se plantearán los objetivos de la misma y se llevará a cabo un seguimiento para verificar el logro de las competencias propuestas. Discusión en clase de las inquietudes generadas en la exposición y estudio de los temas. Exposición por parte del profesor de los aspectos básicos que sea necesario reforzar. Asignación de problemas típicos o consultas complementarias. Realización de talleres que permitan detectar y trabajar los conceptos que aún no se comprenden claramente. Realizar prácticas de laboratorio para adquirir habilidades en la aplicación de los conocimientos teóricos adquiridos. Se implementará el análisis de situaciones y aplicaciones a través de ejemplos, ejercicios y lecturas, como elemento fundamental para fortalecer el proceso de enseñanza-aprendizaje. EVALUACION La evaluación del curso está compuesta de los siguientes aspectos: 1. Primera evaluación parcial [0%]: se llevará a cabo en la cuarta (4ª) semana de clase, temas de los capítulos 1 y.. Segunda evaluación parcial [0%]: se llevará a cabo en la novena (9ª) semana de clase temas de los capítulos y 4... Tercera evaluación parcial [0%]: se llevará a cabo en la doceava (1ª) semana de clase. 4. Evaluación final [0%]: se llevará a cabo el día correspondiente a este examen. 5. Prácticas [0%]: se debe realizar un informe y la sustentación del mismo. El informe y su sustentación se deben realizar en los horarios de atención a estudiantes y en un plazo máximo de cinco días hábiles luego de realizada la práctica. Nota: La evaluación deben medir el logro de las competencias adquiridas, al igual que fomentar la discusión, el análisis y la argumentación de los resultados obtenidos. Plan de Prácticas propuesto para la asignatura Ciencia e Ingeniería de materiales. 1. Reconocimiento de los laboratorios de Metalografía, tratamientos térmicos y resistencia de materiales. Tiempo: sesiones Objetivo: Mostrar y enseñar a usar los diferentes elementos y equipos presentes en estos tres laboratorios.. Práctica de tratamientos térmicos. Objetivo: Aprender a realizar tratamientos térmicos de normalizado, recocido, temple, revenido y cementado en algunos aceros típicos usados en construcciones mecánicas. Tiempo: sesiones.. Práctica metalográfica Objetivo. Realizar práctica metalográfica en varios materiales de ingeniería para reconocimiento de microestructuras. Tiempo: una sesión. Tiempo: sesiones 4. Propiedades mecánicas. 7

8 Objetivo: Discutir de manera teórico el concepto de propiedades mecánicas y realizar una estimación manual de la ductilidad, tenacidad y dureza de algunos materiales, usando objetos de diferentes formas y tamaños. Tiempo: 1 sesión 5. Prueba de tracción Objetivo. Determinar experimentalmente las propiedades mecánicas (límites de proporcionalidad, elasticidad, fluencia, módulo de elasticidad, deformación uniforme, elongación.y rotura) para tres materiales de construcción de máquinas, para el caso de solicitación a tracción. Tiempo: 1 sesión 6. Prueba de dureza. Objetivo: Aprender a realizar pruebas de dureza según escalas Rockwell, Brinell y Vickers y estudiar su campo de aplicación. Tiempo: 1 sesión 7. Prueba de flexión. Objetivo: Determinar experimentalmente algunas propiedades mecánicas (esfuerzo de rotura, módulo de elasticidad) de los materiales, para el caso de solicitación a flexión. Observar la falla a flexión en una probeta de madera. Tiempo: 1 sesión 8. Prueba de Impacto. Objetivo: Familiarizarse con los criterios de valoración de la resistencia de los materiales a las cargas de impacto; comparación de la conducta de un mismo material, sometido a distintos tratamientos térmicos, frente al ensayo de impacto de Charpy. Tiempo: 1 sesión 8