Información general


  • Tipo de asignatura: Obligatoria
  • Coordinador: Joan Ramon Gomà Ayats
  • Trimestre: 3
  • Créditos: 6
  • Profesorado:

Idiomas de impartición


  • Català

This subject has been successfully enrolled by a number of foreign students, most of them from Italy. Classes are taught in Catalan, and students are expected to achieve a basic understanding of spoken Catalan. However, exams and practical reports can be written in Italian or other languages. Public questions in the classroom, and private questions to the lecturer, can also be posed in Italian or other languages.

Descripción


Fundamentos científicos de la estructura y propiedades de los materiales utilizados en la ingeniería mecánica y electrónica. Es recomendable, pero no imprescindible, haber cursado asignaturas anteriores de Física y Química. los contenidos de esta asignatura serán ampliados en asignaturas posteriores.

Resultados de aprendizaje


A nivel general, esta asignatura contribuye a los siguientes resultados de aprendizaje especificados para la materia a que pertenece:

- RA1: Relacionar la estructura de los materiales con sus propiedades y aplicaciones.

- RA2: Comprender y aplicar normas de ensayo de materiales.

- RA3: Analizar y dimensionar estructuras.

- RA9: Conocer y poner en práctica el modo y la dinámica del trabajo en equipo.

- RA11: Llevar a término los trabajos encomendados a partir de las orientaciones básicas dadas por el profesor, decidiendo el tiempo que hay que utilizar en cada apartado, incluyendo aportaciones personales y ampliando las fuentes de información indicadas.

A un nivel más concreto, al terminar la asignatura el estudiante debe ser capaz de:

- Identificar y distinguir las estructuras cristalinas de los materiales más utilizados en ingeniería.

- Reconocer los tipos de defectos de las redes cristalinas, y explicar su influencia en las propiedades macroscópicas del material.

- Explicar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de los materiales.

- Relacionar la tensión y la deformación en metales, cerámicas y polímeros.

- Interpretar los diagramas de fases de las aleaciones binarias más habituales.

- Calcular las proporciones de cada fase a partir del diagrama de fases.

- Relacionar la microestructura de un material con el tratamiento térmico al que ha sido sometido, y con sus propiedades.

- Relacionar las concentraciones de dopantes en un semiconductor con sus propiedades eléctricas.

- Comparar las propiedades de los materiales metálicos, cerámicos, polímeros y compuestos.

Metodologia de trabajo


La asignatura combina clases presenciales en el aula y clases prácticas en el laboratorio.

En el aula se irán alternando la exposición de los conceptos teóricos, la resolución de ejercicios y ejemplos de aplicación por parte del profesor, y ocasionalmente, la resolución colaborativa y exposición en la pizarra de algún ejercicio por parte de los estudiantes.

En el laboratorio los estudiantes realizarán experimentos relacionados con los contenidos de la asignatura.

Los estudiantes deberán dedicar un tiempo adicional, no presencial, a la resolución de ejercicios, elaboración de informes de las prácticas de laboratorio y preparación de las pruebas escritas.

Contenidos


1. Estructuras cristalinas. Defectos.

Descripción

Enlace atómico: iónico, covalente, metálico y secundario. Distancia de enlace. Energía de enlace. Número de coordinación.

Sistemas cristalinos. Celda unidad. Redes de Bravais.

Estructuras de metales: cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras, hexagonal compacta.

Estructuras de cerámicas: cloruro de cesio, cloruro de sodio, fluorita, cristobalita, corindón, grafito, futbolano.

Estructuras de polímeros: polietileno.

Estructuras de semiconductores: silicio, arseniuro de galio.

Posiciones y direcciones en la red cristalina. Índices de Miller. Índices de Miller-Bravais.

Difracción de rayos X.

Aleaciones. Reglas de Hume-Rothery.

Defectos puntuales: vacante, átomo intersticial, defecto Schottky, defecto Frenkel.

Defectos lineales: dislocación de arista, helicoidal y mixta. Vector de Burgers.

Defectos de superficie. Materiales policristalinos.

Defectos de volumen. Vidrios metálicos.

Difusión. Energía de activación. Ecuación de Arrhenius.

Producción térmica de defectos puntuales. Dilatación por la aparición de vacantes.

Leyes de Fick. Variación del coeficiente de difusión con la temperatura.

Difusión estacionaria. Difusión superficial e intergranular.

Actividades vinculadas

Resolución de ejercicios.

Primera prueba parcial.

Prácticas de laboratorio.

 

2. Propiedades mecánicas de materiales.

Descripción

Tensión y deformación en metales. Ensayo de tracción. Deformación elástica y plástica. Recuperación elástica.

Límite elástico. Módulo de Young. Resistencia máxima a la tracción. Ductilidad. Tenacidad. Ley de Hooke.

Coeficiente de Poisson. Cizallamiento.

Tensión y deformación en cerámicas y vidrios. Módulo de ruptura. Modelo de grietas de Griffith.

Tensión y deformación en polímeros. Efecto de la temperatura y de la humedad.

Deformación a escala microscópica. Sistemas de deslizamiento.

Dureza. Escaleras Brinell y Rockwell.

Fluencia. Dependencia con la tensión y con la temperatura. Relajación de tensiones.

Viscosidad. Líquidos superenfriados. Vidrios. Vidrio templado. Vulcanización. Elastómeros.

Energía de impacto. Ensayo de Charpy. Fractura dúctil y frágil. Temperatura de transición dúctil-frágil. Tenacidad de fractura.

Fatiga. Resistencia a la fatiga. Crecimiento de las grietas.

Ensayos no destructivos. Radiografía. Ultrasonidos.

Actividades vinculadas

Resolución de ejercicios.

Primera prueba parcial.

Prácticas de laboratorio.

 

3. Diagramas de fases.

Descripción

Regla de las fases de Gibbs.

Diagrama de un componente.

Diagrama binario. Solubilidad total. Microestructuras características.

Diagrama eutéctico. Insolubilidad total. Solubilidad parcial.

Diagrama eutectoide. Ferrita-cementita y ferrita-grafito.

Diagrama peritéctica. Fusión congruente e incongruente.

Regla de la palanca.

Microestructuras en enfriamiento lento. Hierro fundido. Acero.

Actividades vinculadas

Resolución de ejercicios.

Segunda prueba parcial.

 

4. Propiedades térmicas.

Descripción

Capacidad calorífica. Calor específico a presión constante y a volumen constante.

Dilatación térmica. Coeficiente de dilatación lineal.

Conductividad térmica. Ley de Fourier.

Choque térmico.

Fases de solidificación: nucleación y crecimiento.

Enfriamiento del acero. Transformaciones martensíticas. Revenido: martempering y austempering.

Temple y dureza. Ensayo Jominy. Endurecimiento por precipitación y por acritud. Recocido. Temperatura de recristalización.

Cristalización de vitrocerámica. Sinterización.

Actividades vinculadas

Resolución de ejercicios.

Segunda prueba parcial.

Prácticas de laboratorio.

 

5. Propiedades eléctricas. Semiconductores.

Descripción

Conductividad eléctrica. Ley de Ohm. Resistencia y resistividad. Variación con la temperatura y con la composición de una aleación.

Bandas de energía: valencia y conducción. Nivel de Fermi.

Termopares.

Superconductores.

Aislantes. Permitividad dieléctrica.

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Electrones y huecos. Dopantes p y n.

Dispositivos semiconductores.

Actividades vinculadas

Resolución de ejercicios.

Segunda prueba parcial.

 

Actividades de aprendizaje


1. Primera prueba parcial (contenidos 1 y 2). [CE9: RA1; CB1; CB5]

Descripción general

Prueba escrita de evaluación de los contenidos desarrollados en la primera mitad del curso.

Material de apoyo

Enunciado de la prueba.

Entregable y vínculos con la evaluación

Resolución de la prueba.

La calificación representará un 40% de la nota del curso.

Objetivos específicos

Explicar conceptos teóricos correspondientes a los temas 1 y 2.

Resolver ejercicios correspondientes a los temas 1 y 2.

 

2. Segunda prueba parcial (contenidos 3, 4 y 5). [CE9: RA1; CB1; CB5]

Descripción general

Prueba escrita de evaluación de los contenidos desarrollados en la segunda mitad del curso.

Material de apoyo

Enunciado de la prueba.

Entregable y vínculos con la evaluación

Resolución de la prueba.

La calificación representará un 40% de la nota del curso.

Objetivos específicos

Explicar conceptos teóricos correspondientes a los temas 3, 4 y 5.

Resolver ejercicios correspondientes a los temas 3, 4 y 5.

 

3. Resolución de ejercicios (contenidos 1 a 5). [CE9: RA1; CB1; CB5]

Descripción general

Habrá que resolver algunos de los ejercicios propuestos.

Material de apoyo

Colección de ejercicios.

Apuntes, libros y otro material de apoyo.

Entregable y vínculos con la evaluación

Generalmente estos ejercicios deberán resolverse fuera del aula. Alguno de ellos será resuelto por los estudiantes dentro del aula, de forma colaborativa en grupos de dos o tres estudiantes, y expuesto en la pizarra.

Esta actividad no contribuirá directamente a la nota del curso. Sin embargo, su realización será muy útil para la preparación de las pruebas escritas.

Objetivos específicos

Resolver ejercicios relacionados con los contenidos de la asignatura.

 

4. Práctica 1. Metalografía. [CE9: RA1, RA2, RA9, RA11]

Descripción general

Práctica demostrativa en que se muestra el funcionamiento de un microscopio metalográfico y se adquieren imágenes de la estructura granular de diversos metal·les y aleaciones.

Material de apoyo

Guión de la práctica. Presentación introductoria sobre metalografía. Imágenes obtenidas con el microscopio.

Entregable y vínculos con la evaluación

Los estudiantes, en grupos de tres, aplican las normas ASTM para el cálculo del número de dimensión de grano y del diámetro de grano. También calculan el porcentaje de grafito en una fundición nodular. Entregan un informe escrito con los cálculos.

La calificación global de todas las prácticas representa un 20% de la nota del curso. Algunos de los contenidos de las prácticas pueden salir también en los exámenes escritos individuales.

Objetivos específicos

Realizar cálculos numéricos con las unidades adecuadas, según una norma de ensayos de materiales.

 

5. Práctica 2. Ensayos de tracción. [CE9: RA1, RA2, RA9, RA11]

Descripción general

Los estudiantes utilizan una máquina de tracción de 1500 kg para romper diversas probetas metálicas y obtener los archivos numéricos con los datos de fuerza y elongación.

Material de apoyo

Guión de la práctica. Archivos con los datos de fuerza y elongación de cada material.  

Entregable y vínculos con la evaluación

Los estudiantes, en grupos de tres, representan las gráficas tensión-deformación con una hoja de cálculo (Excel), utilizando los datos de fuerza y elongación y las medidas de las dimensiones de las probetas. A partir de las gráficas tensión-deformación determinan para cada material el módulo de Young, el límite elástico, la resistencia máxima a la tracción y la ductilidad. Entregan un informe con las gráficas y cálculos.

La calificación global de todas las prácticas representa un 20% de la nota del curso. Algunos de los contenidos de las prácticas pueden salir también en los exámenes escritos individuales.

Objetivos específicos

Entender la relación entre tensión y deformación en los metales.

Utilizar una hoja de cálculo para obtener gráficas y realizar cálculos.

 

6. Práctica 3. Ensayos de dureza. [CE9: RA1, RA2, RA9, RA11]

Descripción general

Práctica demostrativa de medida de la dureza Brinell, Rockwell y Shore.

Material de apoyo

Guión de la práctica.

Entregable y vínculos con la evaluación

Cálculo de la fórmula de la dureza Brinell a partir de los diámetros de las marcas en diversas muestras metálicas.

La calificación global de todas las prácticas representa un 20% de la nota del curso. Algunos de los contenidos de las prácticas pueden salir también en los exámenes escritos individuales.

Objetivos específicos

Conocer diferentes escalas de dureza.

 

7. Práctica 4. Ensayos de impacto. [CE9: RA1, RA2, RA9, RA11]

Descripción general

Práctica demostrativa de ensayos de impacto Charpy e Izod sobre polímeros, según las normas ISO 179 y 180.

Material de apoyo

Guión de la pràctica.

Entregable y vínculos con la evaluación

Los estudiantes, en grupos de tres, calculan la energía absorbida por las muestras en la ruptura por impacto, teniendo en cuenta las pérdidas por rozamiento de la máquina  y valorando el efecto de la temperatura de la muestra. Entregan un informe escrito con los cálculos.

La calificación global de todas las prácticas representa un 20% de la nota del curso. Algunos de los contenidos de las prácticas pueden salir también en los exámenes escritos individuales.

Objetivos específicos

Realizar cálculos numéricos con las unidades adecuadas según una norma de ensayos de materiales.

 

8. Práctica 5. Propiedades del Plexiglas y otros polímeros. [CE9: RA1, RA2, RA3, RA9]

Descripción general

Práctica demostrativa en que se utiliza una máquina de tracción de 5000 kg para romper diversas muestras de Plexiglas y otros polímeros, según la norma ISO 527. También se mide la densidad, con una adaptación de la norma ISO 1183.

Material de apoyo

Guión de la práctica. Hoja de características del fabricante del Plexiglas.

Entregable y vínculos con la evaluación

Los estudiantes valoran si la muestra subministrada es del Plexiglas descrito en la hoja de características o de un sucedáneo. Entregan un informe escrito con las conclusiones.

La calificación global de todas las prácticas representa un 20% de la nota del curso. Algunos de los contenidos de las prácticas pueden salir también en los exámenes escritos individuales.

Objetivos específicos

Realizar cálculos numéricos con las unidades adecuadas según una norma de ensayos de materiales.

 

9. Práctica 6. Propiedades térmicas. [CE9: RA1, RA9, RA11]

Descripción general

Los estudiantes miden la capacidad calorífica y la conductividad térmica de diversos metales.  

Material de apoyo

Guión de la práctica.

Entregable y vínculos con la evaluación

Los estudiantes, en grupos de tres, entregan un infome escrito con los cálculos, gráficas y conclusiones solicitados.

La calificación global de todas las prácticas representa un 20% de la nota del curso. Algunos de los contenidos de las prácticas pueden salir también en los exámenes escritos individuales.

Objetivos específicos

Utilizar una hoja de cálculo para obtener gráficas y realizar cálculos.  

Sistema de evaluación


La calificación final será la media ponderada de las calificaciones de las actividades evaluables:

Primera prueba parcial: 40%

Segunda prueba parcial: 40%

Prácticas de laboratorio: 20%

Examen de recuperación: 80%

Habrá una primera prueba parcial a mitad de curso, correspondiente a los temas 1 y 2, y una segunda prueba parcial a final de curso, correspondiente a los temas 3, 4 y 5.

Para los estudiantes que no superen la evaluación durante el curso, se mantendrá el 20% de la calificación de prácticas, y se hará un examen de recuperación global que valdrá el 80% de la nota.

El examen de recuperación podrá servir para aprobar la asignatura con un 5 de nota final, pero no para obtener una nota superior a 5.

Bibliografía


Básica

Callister, W.D. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 1a. edició. Barcelona: Reverté, 2007. ISBN 9788429172539 - 9788429172546.

Shackelford, J.F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. 6a. edició. Madrid: Pearson - Prentice Hall, 2008. ISBN 9788420544519.

Smith, W.F., Hashemi, J. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4a. edició. Madrid: McGraw-Hill, 2006. ISBN 9701056388.


Complementaria

Ashby, M., Jones, D.R.H. Materiales para ingeniería. 1a. edició. Barcelona: Reverté, 2010. ISBN 9788429172553 -9788429172560.

Askeland, D. Ciencia e ingeniería de los materiales. Madrid: Thomson - Paraninfo, 2001. ISBN 8497320166.

Cembrero, J. Ciencia y tecnología de materiales. Problemas y cuestiones. Madrid: Pearson - Prentice Hall, 2005. ISBN 9788420542492.

Gil, F.J. Materiales en ingeniería. Problemas resueltos. Barcelona: UPC, 2000. ISBN 9788483014110.

Mangonon, P.L. Ciencia de materiales. Selección y diseño. Madrid: Pearson - Prentice Hall, 2002. ISBN 9789702600275.