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CE9: Conocer los cimientos de la ciencia, tecnología y química de materiales. Comprender la relación entre la microestructura, la síntesis o el procesado y las propiedades de los materiales.
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.
Esta asignatura dispone de recursos metodológicos y digitales para hacer posible su continuidad en modalidad no presencial en el caso de ser necesario por motivos relacionados con la Covidien-19. De esta forma se asegurará la consecución de los mismos conocimientos y competencias que se especifican en este plan docente.
El Tecnocampus pondrá al alcance del profesorado y el alumnado las herramientas digitales necesarias para poder llevar a cabo la asignatura, así como guías y recomendaciones que faciliten la adaptación a la modalidad no presencial
A nivel general, esta asignatura contribuye a siguientes resultados de aprendizaje especificados por la materia a la 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 cabo los trabajos encargados 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 finalizar 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.
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 a 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.
En caso de que así lo determinen las normas sanitarias, algunas de las clases de teoría y ejercicios (o todas) podrán ser impartidas a distancia o de forma híbrida. En este caso, las prácticas se podrán realizar combinando los experimentos en el laboratorio en grupos más reducidos con la retransmisión en streaming u otras metodologías. Las prácticas 1, 2, y 3 se podrán hacer a distancia con una presentación en Flash, y se proporcionarán datos experimentales para hacer los cálculos y el informe posterior. Para las prácticas 4 y 6, se podrá hacer una explicación a distancia, y se proporcionarán datos experimentales para hacer los cálculos y el informe posterior. La práctica 5 se podrá retransmitir en streaming.
1. Estructuras cristalinas. Defectos. |
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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, fútbol. 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 y intergranular. |
actividades vinculadas |
Resolución de ejercicios. Primera prueba parcial. Prácticas de laboratorio. |
2. Propiedades mecánicas de materiales. |
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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 cristales. 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 superrefredats. Vidrios. Cristal 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. |
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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. Fundición. Acero. |
actividades vinculadas |
Resolución de ejercicios. Segunda prueba parcial. |
4. Propiedades térmicas. |
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Descripción |
Capacidad calorífica. Calor específico a presión constante ya 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. Tremp 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. Práctica de laboratorio. |
5. Propiedades eléctricas. Semiconductores. |
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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 pi n. Dispositivos semiconductores. |
actividades vinculadas |
Resolución de ejercicios. Segunda prueba parcial. |
1. Primera prueba parcial (contenidos 1 y 2). [CE9, RA1, CB1, CB5] |
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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] |
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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] |
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Descripción general |
Habrá 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 a 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] |
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Descripción general |
Práctica demostrativa donde se enseña el funcionamiento de un microscopio metalográfico y se adquieren imágenes de la estructura granular de varios metales y aleaciones. |
Material de apoyo |
Guión de la práctica. Presentación introductoria sobre metalografía. Imágenes obtenidas con el microscopio. |
Entregable y vínculos con la evaluación |
El estudiantes, en grupos de tres, aplican las normas ASTM para el cálculo del número de tamaño de grano y 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 a los exámenes escritos individuales. |
Objetivos específicos |
Realizar cálculos numéricos con las unidades adecuadas según una norma de ensayo de materiales. |
5. Práctica 2. Ensayos de tracción. [CE9, RA1, RA2, RA9, RA11] |
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Descripción general |
Los estudiantes utilizan una máquina de tracción de 1500 kg para romper varias probetas metálicas y obtener los archivos numéricos con los datos de fuerza y alargamiento. |
Material de apoyo |
Guión de la práctica. Archivos con los datos de fuerza y alargamiento 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 alargamiento 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 a los exámenes escritos individuales. |
Objetivos específicos |
Entender la relación entre tensión y deformación en los metales. Una hoja de cálculo para obtener gráficas y realizar cálculos. |
6. Práctica 3. Ensayos de dureza. [CE9, RA1, RA2, RA9, RA11] |
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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 la señal a varias 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 a los exámenes escritos individuales. |
Objetivos específicos |
Conocer diferentes escalas de dureza. |
7. Práctica 4. Ensayos de impacto. [CE9, RA1, RA2, RA9, RA11] |
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Descripción general |
Práctica demostrativa de ensayos de impacto Charpy y Izod sobre polímeros, según las normas ISO 179 y 180. |
Material de apoyo |
Guión de la práctica. |
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 fricción 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 a los exámenes escritos individuales. |
Objetivos específicos |
Realizar cálculos numéricos con las unidades adecuadas según una norma de ensayo de materiales. |
8. Práctica 5. Propiedades del Plexiglas y otros polímeros. [CE9, RA1, RA2, RA3, RA9] |
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Descripción general |
Práctica demostrativa donde se utiliza una máquina de tracción de 5000 kg para romper varias 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 suministrada 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 a los exámenes escritos individuales. |
Objetivos específicos |
Realizar cálculos numéricos con las unidades adecuadas según una norma de ensayo de materiales. |
9. Práctica 6. Propiedades térmicas. [CE9, RA1, RA9, RA11] |
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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 informe escrito con los cálculos, gráficas, y conclusiones pedidas. 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 a los exámenes escritos individuales. |
Objetivos específicos |
Una hoja de cálculo para obtener gráficas y realizar cálculos. |
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.
En caso de que las normas sanitarias impidan hacer un primer examen presencial, la ponderación de las actividades evaluables será:
Prueba final presencial: 70%
Prácticas de laboratorio: 30%
Callister, WD Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 1a. edición. Barcelona: Reverté, 2007. ISBN 9788429172539-9788429172546.
Shackelford, JF Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. 6ª. edición. Madrid: Pearson - Prentice Hall, 2008. ISBN 9788420544519.
Smith, WF, Hashemi, J. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4a. edición. Madrid: McGraw-Hill, 2006. ISBN 9701056388.
Gil, FJ Materiales en ingeniería. Problemas resueltos. Barcelona: UPC, 2000. ISBN 9788483014110.
Cembrero, J. Ciencia y tecnología de materiales. Problemas y Cuestiones. Madrid: Pearson - Prentice Hall, 2005. ISBN 9788420542492.
Askeland, D. Ciencia e ingeniería de los materiales. Madrid: Thomson - Paraninfo, 2001. ISBN 8497320166.
Mangonon, PL Ciencia de materiales. Selección y diseño. Madrid: Pearson - Prentice Hall, 2002. ISBN 9789702600275.
Ashby, M., Jones, DRH Materiales para ingeniería. 1a. edición. Barcelona: Reverté, 2010. ISBN 9788429172553 -9788429172560.