Fonaments de Ciència dels Materials
Anuncio
ENGINYERIA INDUSTRIAL FONAMENTS DE CIÈNCIA DELS MATERIALS Guia de l’assignatura ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 1 Crèdits: 7.5 (6.0 T + 1.5 L) Crèdits ECTS: 6,0 Tipus: Troncal (Codi: 25014) Coordinador: M. NURIA SALÁN BALLESTEROS (nuria.salan@upc.edu) Altres Professors: ELISA RUPÉREZ DE GRACIA (elisa.ruperez@upc.edu) EDGAR FRANCO URQUIZA (edgar.franco@upc.edu) TOBIAS ABT (tobias.abt@upc.edu) Departament: 702 – CIÈNCIA DELS MATERIALS I ENGINYERIA METAL·LÚRGICA Presentació Coneixements previs Si bé no s’han establert requisits previs per cursar aquesta assignatura, fóra convenient haver assolit uns coneixements bàsics de química i de física, equivalents als corresponents al primer curs de qualsevol titulació d’enginyeria. Relació amb altres assignatures Aquesta assignatura proporciona la base per al seguiment de l’assignatura de segon cicle “Tecnologia de Materials” (25032), que s’imparteix a 8è curs, i també facilita el seguiment d’assignatures d’altres departaments (principalment, els de Resistència de Materials i de Mecànica). Objectius generals Els objectius principals d’aquesta assignatura es descriuen als punts següents: Proporcionar una terminologia bàsica i fomentar l’expressió correcta (oral i escrita) dels aspectes vinculats a l’assignatura Introduir l’alumne en els diferents tipus de materials que es podrien considerar d’aplicació industrial a l’enginyeria (metalls, ceràmics, polímers i compostos), a partir del coneixement bàsic de l’estructura de cadascun d’ells, i en l’impacte ambiental derivat de la seva obtenció, transformació i aspectes del seu reciclatge Proporcionar mecanismes que permeten alterar l’estructura dels materials, amb o sense modificació de la seva composició química, i establir relacions estructura-propietats, que es pot avaluar mitjançant diferents assaigs mecànics que proporcionen informació comparativa sobre la resposta que presenten davant l’acció d’esforços aplicats Considerar criteris de selecció de materials en base a la seva resposta o a les seves característiques i introduir els diferents processos industrials de transformació de materials per a l’elaboració de components finals ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 2 Temari Mòdul 1 Tema 1: Introducció - (8 hores) Definició de material Classificació de materials Enllaç atòmic Xarxes cristal·lines Defectes en xarxes cristal·lines Difusió atòmica Mòdul 2 Tema 2: Assaigs mecànics - Definició de característiques mecàniques Deformació elàstica i plàstica Fractura fràgil i fractura dúctil Relacions esforç-deformació Assaig de tracció-compresió Assaig de duresa. Assaig Charpy Assaig de termofluència (Creep) Assaig de fatiga Determinació de la tenacitat de Fractura Tema 3: Materials metàl·lics - (6 hores) Diagrames d’equilibri Diagrama Fe-Fe3C Aliatges fèrrics Aliatges no fèrrics Impacte ambiental i reciclatge de components de materials metàl·lics Tema 4: Tractaments tèrmics - (8 hores) (4 hores) Tractaments tèrmics d’aliatges fèrrics Tractaments termoquímics Tractaments tèrmics d’aliatges no fèrrics Mòdul 3 Tema 5: Materials ceràmics i vidres - Ceràmics tradicionals Ceràmics tecnològics. Vidres Matèries primeres naturals i sintètiques: impacte ambiental (4 hores) ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 3 Mòdul 4 Tema 6: Materials polímers i plàstics - Definició i classificació bàsica de polímers Recursos naturals: el petroli Polimerització i copolimerització Massa molecular Grau de polimerització Classificació industrial de polímers termoplàstics Tema 7: Materials polímers termoplàstics i termoestables - (5 hores) Arquitectura de les cadenes polimèriques Forces d’unió entre cadenes Polímers termoplàstics i termoestables Polímers elastòmers Tema 8: Estats d’agregació - (8 hores) (3 hores) Ordre Cristal·linitat Models Transformacions físiques Tema 9: Aplicacions industrials dels materials polímers. Reciclatge. Propietats (4 hores) elèctriques i òptiques Reciclatge - Polímers barrera (envasos i embalatges) i aplicacions en el sector de l’automoció i construcció - Aplicacions als sectors de l’automoció i construcció - Inflamabilitat en polímers. Reciclatge i impacte ambiental de components de materials polímers - Aplicacions elèctriques i electròniques dels materials. Propietats òptiques Mòdul 5 Tema 10: Materials compostos - Definició Classificació Components bàsics: matrius i reforços Preimpregnats Tema 11: Estructures de materials compostos - (6 hores) Plàstics reforçats Estratificats i laminats Sandwich Compòsits alveolars (4 hores) ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 4 Objectius específics dels mòduls Mòdul 1 Els objectius principals d’aquest primer mòdul, son la presentació bàsica dels materials d’aplicació industrial a l’enginyeria, tot establint relacions entre l’estructura atòmica i la distribució regular dels àtoms a l’espai (xarxes) amb les característiques més rellevants de cada grup. Mòdul 2 En aquest segon mòdul, es persegueix fer una definició dels conceptes de deformació elàstica, plàstica i tipus de fractura, així com una descripció de les principals magnituds mecàniques i dels assaigs mecànics més habituals, tot indicant la utilitat dels assaigs mecànics com a eina que permet efectuar previsions davant la resposta de materials i/o components en servei. També es pretén realitzar una descripció dels principals grups de materials metàl·lics, fèrrics i no fèrrics, i de les relacions entre composició, estructura i propietats. S’inclou la definició del concepte de tractament tèrmic i presentació dels tractaments d’aplicació més habitual, tant per als aliatges fèrrics com per als no fèrrics, com a processos que permeten modificar la seva estructura i, per tant, la seva resposta. Per últim es relacionarien els conceptes de difusió (Tema 1) amb els tractaments termoquímics. Mòdul 3 Dins aquest tercer mòdul, es realitzaria una descripció dels aspectes més rellevants dels diferents materials ceràmics, tant a nivell d’estructura atòmica com d’aplicació d’elaboració de components d’aplicació i utilització industrial. Mòdul 4 Al quart mòdul de l’assignatura, es presenten els materials polímers amb estudi dels seus aspectes estructurals més interessants des del punt de vista tecnològic i la seva relació amb les principals propietats. Es considera la distinció entre polímers termoplàstics, termoestables i elastòmers en funció de l’arquitectura de les seves cadenes constituents i principals aplicacions industrials. Mòdul 5 En aquest mòdul, es fa una presentació dels materials compostos tot incidint en les matrius polimèriques termoestables i les fibres de reforç d’altes prestacions. També es fa un estudi de les principals estructures dels compòsits en funció de la geometria de seu reforç. En aquest mòdul, s’introdueixen aspectes relacionats amb el reciclatge i l’impacte ambiental associat a la fi de vida de components polimèrics, i també s’introdueixen les característiques vinculades a propietats elèctriques i òptiques dels materials d’aplicació industrial. Metodologia de treball El seguiment de l’assignatura es basa en l’assistència a les sessions teòriques (4 hores setmanals) i es complementa amb sessions de laboratori (2 hores en setmanes alternes). ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 5 Els professors indicaran, bé mitjançant el Campus Digital o una nota al tauler del Departament, si hi hagués alguna modificació de continguts o d’ordre, així com els terminis de lliurament d’exercicis que es puguin haver lliurat a classe o la resolució d’algun exemple proposat. Sessions teoria, problemes A les sessions teòriques es combinaran exposicions (orals o amb recursos multimèdia) amb exercicis d’aplicació de continguts, per tal d’afavorir la comprensió dels continguts. Sempre que sigui possible, es proporcionaran dades, aplicacions i exemples reals referents als materials que s’estiguin estudiant en aquell moment. Si bé l’assistència no es considera obligatòria, si que s’ha comprovat que afavoreix notablement el correcte seguiment de l’assignatura, ja que els exemples i les aplicacions seleccionats poden associar-se als dubtes més freqüents que es produeixen durant el desenvolupament del temari de l’assignatura. Pràctiques, laboratoris Les sessions de laboratori es duran a terme al llarg del quadrimestre tot ajustant el contingut d’aquestes al temari que s’imparteixi en aquell moment. El guió de pràctiques quedarà exposat al Campus Digital i al Servei de Reprografia de l’ETSEIAT durant la primera setmana de curs. Al Campus Digital i al Tauler del Departament es proporcionaran indicacions per a l’elaboració dels grups de pràctiques, que han de quedar constituïts al llarg de la primera setmana de curs. Pràctica 1: Diagrames d’equilibri Aquesta sessió s’ha plantejat com un seminari per treballar aspectes relacionats amb els diagrames d’equilibri dels aliatges metàl·lics més comuns, com a complement i intensificació dels continguts explicats a les classes teòriques.Identificació de Materials polímers Pràctica 2: Assaigs de tracció i impacte En aquesta sessió es realitzen assaigs de tracció amb provetes de diferents materials polímers i considerant l’efecte de variables com la temperatura i la velocitat de deformació en les principals propietats mecàniques. Tanmateix, es realitzen assaigs d’impacte, també en provetes de diferents materials polímers, amb la temperatura com a principal variable en l’obtenció de resultats Pràctica 3: Metal·lografia Aquesta pràctica consisteix en l’observació i caracterització de diverses mostres metàl·liques (fèrriques i no fèrriques) i no metàl·liques, mitjançant la utilització de microscopis òptics (transparència i reflexió) i lupes binoculars-estereoscòpiques Pràctica 4: Xoc tèrmic Mitjançant escalfaments a diferents temperatures i refredaments sobtats, es pretén determinar i quantificar la sensibilitat de materials ceràmics als canvis de temperatura i l’efecte que això té en el seu comportament en servei Pràctica 5: Identificació de materials polímers Mitjançant la resposta davant la flama, s’identifiquen diferents famílies de polímers de gran consum. Es proporcionen nocions de mètodes d’identificació de grups funcionals de polímers mitjançant l’espectrofotometria d’infraroig per Transformada de Fourier (FT-IR).Difusió en estat sòlid ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 6 Pràctica 6: Fabricació d’un material compost laminat A partir dels constituents bàsics (matriu termoestable i reforç) s’elabora un component de material compòsit (laminat), visualitzant així els aspectes més rellevants del procés d’elaboració i considerant l’efecte dels principals paràmetres Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant Temps de Classe Temps d’estudi Temps total I. Introducció a la Ciència dels Materials 8 hores 6 hores 14 hores II. Assaigs Mecànics i aliatges metàl·lics. Tractaments tèrmics 18 hores 15 hores 33 hores III. Ceràmics i vidres. Classificació 4 hores 3 hores 7 hores IV. Polímers. Tipus, característiques i aplicacions 20 hores 16 hores 36 hores V. Compostos. Classificació, constituents i estructures 10 hores 8 hores 18 hores Pràctiques 12 hores 3 hores 15 hores Mòdul Materials Bibliografia bàsica W.D. Callister Jr, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Vol. 1 y 2, Ed. Reverte, Barcelona (2000). H.D. Shackelford, Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, Ed. Prentice-Hall Iberia, Madrid (1998). D.R. Askeland, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed. Paraninfo, Madrid (2001). W.F. Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ed. McGraw-Hill, Madrid (1998). Bibliografia complementària F.J. Gil (Ed.), J.M. Cabrera, M.Ll. Maspoch, L.M. Llanes, M.N. Salán, Materiales en Ingeniería. Problemas resueltos, Ed. UPC, Barcelona (2002). M.P. Groover, Fundamentos de Manufactura Moderna. Materiales, Procesos y Sistemas, Ed. Prentice Hall Iberoamericana, México, (1997). M.F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Ed. Butterworth Heinemann, Oxford (U.K.) (1999). N. Salán. Tecnologia de Proceso y Transformación de Materiales. Ed. UPC (2005) Avaluació La nota final s’obtindrà a partir de 3 notes parcials segons l’expressió següent NFINAL 0.4 N1rP 0.4 N2nP 0.2 NLab NFINAL ENGINYERIA INDUSTRIAL 25014 Fonaments de Ciència dels Materials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A de data 8/06/05 Modificada en CAA data 29/06/06 Modificada en CAA de data 1/06/2011 7 N1rP i N2nP són, respectivament, les notes corresponents al primer i al segon parcial, obtingudes a partir de les proves escrites i incorporant les notes d’exercicis que puntualment puguin haver-se lliurat a classe en cadascun dels parcials. La nota de laboratori (NLab) s’obté a partir d’exercicis lliurats a cada sessió de pràctiques i que pot complementar-se amb notes subjectives per part del professorat.
