PROGRAMA DE LA ASIGNATURA "Tecnología de Materiales" Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

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1 PROGRAMA DE LA ASIGNATURA "Tecnología de Materiales" Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Departamento de Ingeniería y C. Materiales y Transporte E.T.S. de Ingeniería DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA Titulación: Año del plan de estudio: Centro: Asignatura: Código: Tipo: Curso: Período de impartición: Ciclo: Área: Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales 2010 E.T.S. de Ingeniería Tecnología de Materiales Optativa 3º Cuatrimestral 0 Ciencias de Materiales e Ingeniería Metalúrgica (Área responsable) Horas : Créditos totales : Departamento: Dirección física: 4.5 Ingeniería y C. Materiales y Transporte (Departamento responsable) ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA, CAMINO DESCUBRIMIENTOS, S/N.- ISLA CARTUJA Dirección electrónica: OBJETIVOS Y COMPETENCIAS Objetivos docentes específicos Los objetivos fundamentales que se pretenden alcanzar en la asignatura de Tecnología de los Materiales son los siguientes: Familiarizar al alumno con la interdependencia entre la estructura de los materiales, las rutas de obtención y procesado, las propiedades que los hacen interesantes y útiles, y su comportamiento en servicio. Concienciar al estudiante sobre la relevancia de la formación e investigación en Materiales en el diseño y desarrollo de productos y componentes industrialmente competitivos, tanto desde el punto de vista de prestaciones y funcionalidad como en términos económicos y sociales, incluyendo su impacto medioambiental. Proporcionar al estudiante conocimientos básicos para la selección de materiales considerando su comportamiento en servicio: fractura, fatiga, termofluencia, desgaste, corrosión, etc. Contribuir a la formación básica de los alumnos sobre técnicas experimentales (en particular de caracterización y ensayo de materiales), así como en el manejo de instrumentación empleada en el laboratorio y en la industria. Hacer apreciar al estudiante la importancia del equilibrio entre principios científicos e ingeniería, mediante el análisis y la comprensión de la adecuación existente entre requerimientos operativos de diversas aplicaciones tecnológicas y la relación tripartita estructura-procesado-propiedades adscrita a los materiales empleados en ellas. Curso de entrada en vigor: 2013/ de 5

2 Competencias: Competencias transversales/genéricas G01.- Capacidad para la resolución de problemas G02.- Capacidad para tomar decisiones G03.- Capacidad de organización y planificación G04.- Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica G05.- Capacidad para trabajar en equipo G06.- Actitud de motivación por la calidad y mejora continua G07.- Capacidad de análisis y síntesis G08.- Capacidad de adaptación a nuevas situaciones G09.- Creatividad y espíritu inventivo en la resolución de problemas científico-técnicos G10.- Aptitud para la comunicación oral y escrita de la lengua propia G13.- Capacidad de innovación, iniciativa y espíritu emprendedor G15.- Capacidad para el razonamiento crítico Competencias específicas E25. - Conocimientos y capacidades para la aplicación de la ingeniería de materiales CONTENIDOS DE LA ASIGNATURA Bloque I. Criterios de selección de materiales Relación procesado-estructura-propiedades. Consideraciones generales: familias de materiales, tipos de procesamientos y solicitaciones. Relación procesamiento-estructura-propiedades para obtener un rendimiento óptimo bajo condiciones de servicio en términos de análisis de costo, fiabilidad estructural, reciclaje y ahorro energético. Control de calidad (ensayos destructivos y no destructivos) y coeficientes de seguridad. Ejemplos de casos prácticos (no existe un material ideal). Bloque II. Aleaciones metálicas y su procesado Aceros y sus tratamientos térmicos. Introducción. Clasificaciones de los aceros. Elementos aleantes solubles y formadores de carburo. Influencia de los elementos aleantes sobre el diagrama metaestable Fe-Fe3C. Tratamientos térmicos de los aceros Aceros de alta aleación. Introducción. Aceros inoxidables. Aceros aleados para herramientas. Otros aceros de alta aleación Fundiciones férreas. Introducción. Diagrama de equilibrio Fe-Gr frente al Fe-Fe3C. Clasificación de las fundiciones. Fundiciones blancas. Fundiciones maleables. Fundiciones grises. Fundiciones nodulares o esferoidales. Fundiciones aleadas Materiales metálicos no férreos. El cobre y sus aleaciones. Tipos de cobre (de pureza comercial y alta pureza). Cobres débilmente aleados. Aleaciones de cobre. El aluminio y sus aleaciones Designación del aluminio y sus aleaciones. Principales tipos de aleaciones Moldeo y colada continua. Introducción. Macroestructuras de solidificación. Defectos de solidificación en la obtención de lingotes. Heterogeneidades físicas. Heterogeneidades químicas. Aptitud para el moldeo Deformación plástica. Introducción. Clasificación. Hechurado en frío y en tibio. Condiciones del material para el hechurado en frío. Especificación de la condición de hechurado en frío. Inconvenientes. Hechurado en caliente. Características generales. Ventajas. Inconvenientes Soldadura de metales. Uniones mediante soldadura de metales. Clasificación. Soldadura por fusión. Soldadura en estado sólido. Soldadura fuerte y soldadura blanda Procesado pulvimetalúrgico. Introducción. Interés industrial. Principales tipos de materiales pulvimetalúrgicos. Metales refractarios. Materiales de corte o utillaje. Materiales para fricción metálicos (embragues y frenos). Materiales eléctricos para contactos. Materiales magnéticos. Materiales porosos. Piezas estructurales. Procesado convencional de polvos metálicos. Mezclado. Prensado. Sinterización. Calibrado. Tratamiento al vapor. Aspectos estructurales del procesado. Tendencias modernas en pulvimetalurgia. Bloque III. Materiales cerámicos y su procesamiento. Curso de entrada en vigor: 2013/ de 5

3 3.1. Vidrios y su fabricación Descripción del comportamiento vítreo, temperatura de transición vítrea. Materias primas utilizadas en la elaboración del vidrio. Procesos de fabricación. Propiedades características Cerámicas tradicionales y cementos, características y fabricación. Materiales arcillosos: tipos y usos de las arcillas, descripción del efecto hidroplástico. Procesos de fabricación de diversos productos arcillosos, por prensado, conformado o moldeo. Materiales refractarios: descripción y propiedades fundamentales. Cementos: materias primas, proceso de fabricación y propiedades mecánicas relevantes Cerámicas avanzadas, procesos de conformado convencional y novedosos. Nuevas materiales cerámicos: óxidos, carburos, nitruros. Conformado de piezas mediante sinterización de polvos cerámicos. Bloque IV. Polímeros y su procesado Polímeros. Los polímeros genéricos: termoplásticos, termoendurecibles, elastómeros y polímeros naturales. Datos para el diseño. Ejemplos Producción, conformado y soldadura y unión de polímeros. Polimerización. Aleaciones de polímeros. Conformado de polímeros: extrusión, moldeo por inyección, etc. Unión o soldadura de polímeros. Ejemplos. Bloque V. Materiales compuestos y su procesado Materiales compuestos. Descripción de un material compuesto, fundamento de su uso y conveniencia. Tipos de materiales compuestos en función de su matriz (metálica, cerámica o polimérica) Procesado de materiales compuestos. Procesos de fabricación. Materiales típicamente utilizados. Tipos de refuerzos. Propiedades mecánicas fundamentales. Ejemplos de materiales compuestos y sus usos. Bloque VI. Comportamiento de componentes o piezas estructurales en servicio Introducción. Ejemplos y tipos de modos de fallo mecánico en servicio de piezas, componentes y/o estructuras Degradación de componentes estructurales bajo solicitaciones mecánicas: Fractura. Resistencia mecánica. Ensayos de tracción (E, L.E., R y ), compresión y flexión (biaxial, 3 y 4 puntos). Tipos de fractura: dúctil y frágil. Transición dúctil-frágil (resiliencia- ensayo Charpy). Tenacidad (área bajo la curva tensión-deformación). Principios básicos de la Mecánica de la fractura elástica lineal. Metodologías de ensayos empleados para evaluar la tenacidad de fractura Degradación de componentes estructurales bajo solicitaciones mecánicas: Fatiga. Nomenclatura (K, Relación de esfuerzos y frecuencia) y tipos de ensayos (fatiga rotativa, en voladizo, en flexión, tracción-compresión, etc). Etapas de fatiga: deformación cíclica, nucleación y propagación de fisuras. Criterios de diseño de la vida a fatiga. Bajo número de ciclos [Ley de Paris-Erdogan (umbral de propagación y pendiente de la curva)]. Alto número de ciclos [límite de fatiga (curvas S-N y método staircase)]. Factores que influyen en el comportamiento a fatiga (geometría de la muestra, relación de esfuerzo, acabado superficial, frecuencia de aplicación de la carga, etc.) 6.4. Degradación de componentes estructurales bajo solicitaciones termomecánicas: Termofluencia. Definición de termofluencia (Creep): Efecto combinado de la temperatura y la tensión aplicada sobre las propiedades mecánicas. Ejemplos reales de piezas componentes y/o estructuras que fallan por Creep. Ensayos de fluencia en caliente: características y parámetros relevantes de la curva deformación-tiempo. Termofluencia a carga y temperatura constante. Rotura bajo carga. Tracción acelerado. Predicción del comportamiento a termofluencia. Métodos de extrapolación Degradación de componentes estructurales bajo solicitaciones de contacto: Fricción y Desgaste. Dureza (escala de Mohs y tipos de dureza). Definición de rugosidad, fricción y desgaste. Ensayos de desgaste (lineal, pin, ball disk or roll on disk) y tipos de desgaste (adhesivo, abrasivo, corrosivo, etc.). Prevención del desgaste: lubricación y modificación superficial (tratamientos químicos y/o térmicos a nivel superficial, o deposición de capas de otro material). Ensayos de rayado (Scratch Test) Degradación de componentes estructurales en un medio agresivo. Corrosión de metales. Consideraciones electroquímicas. Cinética de la corrosión. Formas de corrosión. Prevención de la corrosión. Oxidación. Películas protectoras. Corrosión de cerámicas. Fatiga estática. Degradación de polímeros. Hinchamiento y disolución. Rotura del enlace (escisión): efectos de la radiación, las reacciones químicas y térmicas. Degradación por exposición a la intemperie. Efecto del tipo de solicitación y de la velocidad de aplicación de la carga. Prácticas de laboratorio P1 - A: Medida de la resistencia al impacto (Ensayo Charpy) - Resiliencia como medida de la tenacidad (energía absorbida durante la fractura). - Diferentes configuraciones de ensayos de impacto (velocidades de aplicación de la carga elevadas), tipos de probetas y principio de Curso de entrada en vigor: 2013/ de 5

4 funcionamiento: péndulo Charpa, IZOD, caída de dardo, e impacto-tracción pendular. - Empleo de estos ensayos para evaluar la transición dúctil-frágil en los materiales, comportamiento marcado e influenciado fundamentalmente por la temperatura, la estructura cristalina (familia de materiales), la velocidad de aplicación de la carga, el estado triaxial de tensiones (tamaño de la entalla y radio de curvatura), y la orientación microestructural o cristalográfica. Evaluación de la expansión lateral de las probetas y de la relación de porcentajes de área dúctil y frágil resultante de la rotura (comparar con los patrones). Comentar el significado de los labios dúctiles en términos de cumplimiento de la condición de deformación plana. - Filosofía de diseño utilizando las curvas de transición dúctil-frágil: se basa en la determinación de la temperatura por encima de la cual no ocurra fractura frágil a niveles de esfuerzos dentro del rango elástico. Criterios para definir dicha temperatura: el 100 % de la fractura es dúctil (microcavidades), el 100 % de la fractura es frágil (clivaje), el 50 % de la fractura es frágil, y en función de un valor concreto de energía absorbida (ej: 20 J, aceptado en aceros destinados a construcciones navales). Parte experimental: se realizará ensayos de impacto con probetas entalladas y las mismas dimensiones (acero recocido a temperaturas diferentes, acero normalizado, y un PMMA). Las correspondientes energías absorbidas durante el impacto y los rasgos inherentes a la fractura, permiten evaluar el tipo de fractura, la transición dúctil-frágil, y el cumplimiento de la condición de deformación plana. P1 - B: - Materialografía de materiales empleados en ingeniería Diagramas de fase, observar las microestructuras (microscopio óptico), comentar los tratamientos térmicos, las propiedades, y las aplicaciones de las fundiciones (blancas, maleables, grises y nodulares, con matrices diferentes dependiendo de la velocidad de enfriamiento), los aceros para hormigón armado (tratamiento tempcore: temple superficial y autorevenido), materiales para herramientas (aceros al carbono, aceros bonificados, aceros rápidos, y WC-Co; diferenciar entre herramientas de conformado y mecanizado, así como la elección según la temperatura y velocidad de trabajo), y plásticos (esferulitas). P2 - A: Procesado pulvimetalúrgico - Polvos metálicos: toma y mezcla de los polvos (muestras), determinación de la granulometría mediante el tamizado en seco y la difracción láser Mastersizer (ventajas y desventajas de cada una de estas técnicas), determinación de la velocidad de flujo mediante el aparato de Hall (viscosidad del polvo), determinación de la densidad aparente (método del embudo calibrado) y la de golpeo (compactación mediante sacudidas). - Consolidación de los polvos: prensado bajo compresión uniaxial (partes de la matriz de compactación, la pieza adquiere forma y la denominada resistencia en verde; comentar las ventajas y desventajas con otras técnicas de compactación), sinterización convencional y por resistencia eléctrica (principio de funcionamiento, ventajas y desventajas entre ellas y con otras técnicas de consolidación). P2 - B: Empleo de técnicas de indentación en la caracterización termomecánica de materiales (tenacidad de fractura y resistencia al choque térmico) - Aplicaciones de las técnicas de indentación de forma general: dureza, módulo de Young y coeficiente de endurecimiento. Indentador Vickers de base cuadrada es el más utilizado para un rango amplio de materiales y cargas de indentación. Qué pasa si yo realizo una indentación Vickers en un material frágil? Evaluación de la tenacidad de fractura por el método de microfractura por indentación (IM). Tipos de grietas (radiales y palmqvist). Requisitos, ventajas y desventajas. Aplicaciones de las técnicas de indentación [caracterizar el perfil de durezas y tensiones residuales, evaluar resistencia mecánica y a fatiga de materiales frágiles, crecimiento de grietas asistido por el medio ambiente (fatiga estática), y resistencia al choque térmico]. De qué depende la respuesta de un material frente al choque térmico? Formas de evaluarlo. Criterios de diseño y puntos que deben ser considerados en el diseño de elementos o componentes en términos de choque térmico. Parte experimental: Evaluar la dureza y la tenacidad de fractura utilizando el método IM en materiales pertenecientes a las cuatro familias de éstos (metales, cerámicos, polímeros y compuestos). Medir la resistencia al choque térmico de un material cerámico convencional (plato) y uno estructural (circona)- uso de líquidos penetrantes. Observar la influencia del medio en la propagación de grietas de indentación en un vidrio de ventana. P3 - A: Ensayos no destructivos (E.N.D.) Determinar experimentalmente, sin necesidad de destruir el material, la presencia de defectos inherentes al procesado (moldeo o sinterizado, conformado y unión) y a las condiciones de servicio (tribomecánicas y/o térmicas) de piezas, componentes o estructura, los cuales pueden ser la causa de la rotura prematura de las mismas. Principio físico, procedimiento experimental, así como ventajas y desventajas de cuatro de las técnicas utilizadas para evaluar defectos superficiales y/o internos (agrupadas y denominadas como ensayos no destructivos): radiografia industrial y gammagrafia, partículas magnéticas, líquidos penetrantes, y ultrasonidos. P3 - B: Análisis de fallos: ingeniería forense - Principios + metodología de la diagnosis + ejemplos reales Objetivo final: determinar las causas y establecer los posibles remedios al problema (rotura en servicio de una pieza, componente o estructura). Comentar los diferentes motivos para realizar estudios de este tipo: económicos (reclamaciones de los seguros y los fabricantes), legales (civil-dinero, o penal-muerte), y científico-técnico. - Fases de la vida de una pieza y efecto retroalimentador de la diagnosis de fallos (metodología de análisis), tipos de fallos, y ejemplos reales, clasificados en base al tipo de solicitación responsable del daño: solicitaciones mecánicas, térmicas, y tribológicas, así como por corrosión en medios acuosos. - Se les mostrará un pequeño video integrador y relacionado con los tipos de fallo en servicio y el análisis de los mismos. Nota: cada profesor, además de los casos reales genéricos presentados, podrá comentar alguno según su experiencia científico-técnica y/o industrial. ACTIVIDADES FORMATIVAS Curso de entrada en vigor: 2013/ de 5

5 Relación de actividades formativas del cuatrimestre Clases teóricas Horas presenciales: Horas no presenciales: Prácticas de Laboratorio Horas presenciales: Horas no presenciales: SISTEMAS Y CRITERIOS DE EVALUACIÓN Y CALIFICACIÓN La evaluación de la asignatura se realizará mediante exámenes finales, según las convocatorias oficiales o mediante un examen extra (evaluación alternativa). Los exámenes, en cualquiera de sus modalidades y convocatorias, serán escritos y comprenderán TRES PARTES: - PRIMERA PARTE, en forma de preguntas objetivas (test) sobre los contenidos de las prácticas de laboratorio. Su peso sobre la calificación final será de 1.5 puntos sobre SEGUNDA PARTE, en forma de preguntas objetivas (test) sobre los contenidos de teoría. Su peso sobre la calificación final será de 3.5 puntos sobre TERCERA PARTE, en forma de preguntas objetivas (test) sobre problemas (relacionados con los contenidos de la teoría o de las prácticas de laboratorio). Su peso sobre la calificación final será de 5 puntos sobre 10. La puntuación en los test se obtiene mediante un reparto proporcional. Así, en la PRIMERA, SEGUNDA y TERCERA PARTE, la mitad de los puntos asignados (0.75, 1.75 y 2.5 puntos, respectivamente) se corresponden con el 50% de respuestas correctas, una vez aplicada la oportuna corrección de probabilidad de acierto al azar. El examen se considerará aprobado cuando, una vez sumada la puntuación (sea cual sea) de cada una de las partes, en la misma convocatoria, se igualen o superen los 5 puntos. No obstante, se trate de un alumno matriculado en esta asignatura por primera vez o sea un alumno repetidor, para alcanzar la suficiencia en la asignatura se ha de asistir a todas las prácticas de laboratorio y realizar los correspondientes cuestionarios. Adicionalmente, por acuerdo de la Junta de Escuela y en cumplimiento de la Normativa Reguladora de la Evaluación y Calificación de las Asignaturas (29/09/2009) en el examen de la primera convocatoria oficial (Junio) el alumno podrá presentarse y optar que la calificación obtenida le conste en ACTA o le sea considerado como una PRUEBA (independientemente de la calificación obtenida), lo que se le solicitará para que lo haga constar al realizar el mismo. Asimismo, en el caso de exámenes de carácter especial, por coincidencia con fechas de otros exámenes, etc., las pruebas podrán ser escritas y/u orales, y el cambio de la fecha de evaluación podrá realizarse previa solicitud en los plazos establecidos, siempre que los estudiantes se encuentren en alguna de las situaciones excepcionales descritas en la citada normativa anterior. Las notas se publicarán en la Plataforma Virtual de la Universidad y en el tablón de anuncios virtual (Web de la E.T.S.I.). Curso de entrada en vigor: 2013/ de 5