¡Descarga Problemas de ciencies materiales y más Ejercicios en PDF de Ciencia de materiales solo en Docsity!
FACULTAT DE QUÍMICA EXERCICIS de CIÈNCIA DE MATERIALS
- Descriviu i anomeneu els tipus d'enllaç primari i secundari. Perquè es produeix l'enllaç entre àtoms? Indiqueu els trets més característics de cada tipus d'enllaç.
- Descriviu el procés d'hibridació de l'àtom de carboni i expliqueu les diferències en les propietats entre el carboni diamant i el carboni grafit.
- Definiu estructura cristal·lina, xarxa cristal·lina, cel·la unitat i constants reticulars. Quin es el nombre de coordinació pels àtoms en les estructures BCC, FCC, HCP? Quants àtoms per cel·la unitat trobem en aquestes estructures? Quin factor d'empaquetament els correspon?
- Calculeu el valor del radi atòmic en el sòlid per els següents metalls : Pt (FCC), Na (BCC), Ag (FCC), Pd (FCC), Au (FCC) si la constant reticular "a" pren un valor de: 0.393, 0.429, 0.409, 0.389, 0.408 nm respectivament.
R(Pt) = 0,139nm; R(Ag) = 0,145nm; R(Pd) = 0,138nm; R(Au) = 0,144nm; R(Pt) = 0,156nm
- Escriviu les posicions atòmiques per la cel·la FCC i BCC.
- Dibuixeu els vectors de direcció en cubs unitaris per les següents direccions: a) [221], b) [ 11 2], c) [11 1 ], d) [ 1 0 2 ], e) [12 3 ], f) [3 3 1], g) [31 2 ], h) [0 21 ]
- Dibuixeu els plans cristal·logràfics següents: a(100),b(110) i c(111) en una cel·la BCC i enumereu la posició dels àtoms amb centres tallats per cada un dels plans. Feu el mateix per una cel·la unitat FCC.
- Calculeu els índex del pla d'una cel·la cúbica que talla els eixos en: I) a = 2/3, b = -1/2, c = 1/ II) a = -3/2, b = -1/3, c = 1/ III) a = -1/3, b = -2/3, c =-1/
- Calculeu la concentració de (vacants/m^3 ) en equilibri en un alumini pur a 400 ºC,si l´ energia d'activació d'activació d'una vacant és de 0.76 eV. b) Quina és la fracció de vacants a 600ºC?. Densitat (Al) =2.699 g/cm^3 , M = 26.99 g/mol. R: a)NV = 1,23·10^23 vacants / m^3 , NV/N 0 = 2 vacants / 10^6 àtoms b)NV = 2,47·10^24 vacants / m^3 , NV/N 0 = 41 vacants / 10^6 àtoms
- El difractograma de raigs-X per un element desconegut presenta pics de difracció a: 2 : 40 58 73 86.8 100.4 114, quan la radiació incident té una de 0.154 nm. Determineu: a) Si l’estructura és BCC o FCC, b) La constant de cel·la “a”, c) El radi atòmic de l’element, d) de quin element es tracta.
- Descriviu i dibuixeu els següents defectes que es poden trobar en xarxes cristal·lines: a) de vacants, b) intersticials, c) de Frenkel, d) de Schottky, e) de color, f) dislocació d'aresta, g) dislocació de cargol, h) de límit de gra, i) de macla
- Descriviu i dibuixeu el procés de solidificació en termes de nucleació i creixement. Quines són les energies involucrades en la solidificació?. Quina és la diferencia entre nucleació homogènia i heterogènia en la solidificació d'un metall pur? b) Quina és la mida de radi crític del nucli del ferro (BCC, a 0 = 0.287nm) en la nucleació homogènia i quants àtoms conté al refredar 362ºC per sota de la temperatura de fusió, si TM = 1535ºC, QF = 2098 J/cm^3 i S = 204x10- J/cm^2 ?.
- Definiu: a) aliatge, b) dissolució sòlida substitucional, c) dissolució sòlida intersticial, d) quines són les condicions favorables perquè tingui lloc una dissolució solida substitucional i una dissolució sòlida intersticial.
- Segons les dades de la taula següent, estimeu el grau relatiu de solubilitat en alumini dels següents elements: coure, manganès, magnesi, cinc i silici.
ELEMENT RADI ATOMIC XARXA ELECTRON VALENCiA Al 0,143 FCC 1,5 3+ Cu 0,128 FCC 1,8 2+ Mn 0,112 C 1,6 2+,3+,6+,7+ Mg 0,160 HCP 1,3 2+ Zn 0,133 HCP 1,7 2+ Si 0,117 DC 1,8 4+ R: Cu = Molt alta, Mn = Baixa, Mg = Molt alta, Zn = Molt alta, Si = Baixa
- Calcula el radi del forat intersticial en la posició (½, 0, 0) o equivalent per a l’estructura CCC de l’alumini (radi atòmic = 0,143nm). R= 0.59 Å
- Quina repercussió pot tindre en un material la presència elevada de defectes volumètrics? I en el cas de defectes de superfície? Quin tipus de defecte és el més significatiu pel que fa a la solubilitat d’un element en un altre?
- Per a l’aliatge de 75% de coure i 25% atòmic de Ni: a. Calcula la densitat de l’aliatge. b. Quina serà l’estructura cristal·lina més probable per a aquest aliatge? c. Determina la massa en grams dels àtoms dins d’una cel·la unitat d’aquest aliatge. d. Calcula la constant reticular. Dades: Element Xarxa Densitat (g/cm^3 ) Radi atòmic (nm) Cu CCC 8,96 0, Ni CCC 8,90 0,
R: a)ρaliatge = 8,95 g/cm^3 , b) CCC, c) 4,15·10-22^ g, d) aaliatge = 0,360 nm
- Difonem bor en una rodanxa grossa de silici sense contingut previ de bor a una temperatura de 1100ºC durant 2 hores. Si la concentració de bor en la superfície és de 1x10^18 àtoms/cm^3 Calculeu:
a) a quina profunditat la rodanxa de Si tindrà una concentració de 1x10^17 àtoms/cm^3 , si el coeficient de difusió del bor en silici a 1100ºC és de D = 4,0 x 10-13^ cm^2 /s. b) Si la difusivitat del bor en silici fos de D = 2.0 x 10-13^ , a quina profunditat s'arribaria a la concentració anterior? R: a)x = 125μm, b) x = 88μm
- La difusivitat d'àtoms de coure en l'alumini és de 8,0x10-13^ m^2 /s a 600ºC i de 2,0x10 -15^ m^2 /s a 400 ºC. Calculeu l'energia d'activació en J/mol per la difusió d'àtoms de Cu en Al per aquest interval de temperatures. Q = 146,3 kJ / mol
- A 300 ºC, el coeficient de difusió i l’energia d’activació pel Cu en Si són: D(300ºC) = 7.8 x 10-11^ m^2 ·s-1, i Qd = 41.5 kJ·mol-1. Quin és el coeficient de difusió a 350 ºC? R: D = 1,57·10-10^ m^2 /s
- Si el coeficient de difusió d’àtoms de plata metàl·lica és de 1.0 x10-17^ m^2 /s a 500 ºC i 7.0·10-13^ m^2 ·s-1^ a 1000 ºC, calcular l’energia d’activació (J/mol) per la difusió de Ag en Ag en l’interval de T de 500 a 1000 ºC. R: Q = 182,5 kJ / mol
- Definiu: a) fase, b) diagrama de fase, c) punt triple, d) regla de les fases, e) aliatge isomòrfic binari, f) regles de Hume-Rothery per la solubilitat total, g) regla de la palanca.
- Definiu: a) Composició eutèctica, b) Temperatura eutèctica, c) Reacció eutèctica, d) Punt eutèctic.
- Definiu per un diagrama d'equilibri binari peritèctic: a) Reacció peritèctica, b) Temperatura peritèctica, c) Composició peritèctica, d) Punt peritèctic.
- Que és una reacció invariant?. b) Descriviu les reaccions invariants que coneixeu. c) Quina és la diferencia entre: i) reacció eutèctica i eutectoide? , ii) Fase terminal i fase intermèdia?, iii) fase intermèdia i compost intermedi?
- En el diagrama de fases pel sistema isomòrfic binari Cu-Ni i una composició 35% en pes de Ni, suposant una situació d'equilibri, realitzeu un anàlisi de fases que inclogui: (i) Fases presents, (ii) composició química de cada fase, (iii) quantitat de cada fase. Si la temperatura és de a) 1250ºC, b) 1500ºC, c) esquematitzeu la microestructura de l'aliatge que observaríem en el microscopi òptic en cada cas. d) Expliqueu com es produeix i com es podria eliminar una estructura segregada en un aliatge Cu-Ni amb un 70% en pes de Cu.
R: a) A 1200ºC tenim 40% L (20% Ni + 80% Cu) + 60% α (45% Ni + 55% Cu)
b) A 1500ºC tenim 100% L (35% Ni + 65% Cu)
- Considereu el diagrama binari Cu-Ag adjunt. Realitzeu l'anàlisi de fases per una composició del 70% Cu a les temperatures de: a) 1000ºC, b) 900ºC, c) 780ºC + dT, d) 780ºC - dT. L’anàlisi de fases té que incloure : i) Fases presents, ii) Composició química de les fases, iii) Quantitat de cada fase, iv) Esquema en camp circular de la microestructura.
R: a) A 1000ºC tenim 100% L (30% Ag + 70% Cu)
b) A 900ºC tenim 65% L (42% Ag + 58% Cu) + 35% α (8% Ag + 92% Cu)
c) A 780ºC+dT tenim 35% L (71,9% Ag + 28,1% Cu) + 65% α (7,9% Ag + 92,1% Cu)
d) A 780ºC-dT tenim 73% α (7,9% Ag + 92,1% Cu) + 27% β (91,2% Ag + 8,8% Cu)
- Calculeu la quantitat en g de cada fase que obtindrem quan 1000 g d'un aliatge Cu-Ag amb un 60% Cu és refredat lentament de 1000 ºC fins a: a) 850ºC, b)
74 0,040 51 fractura
ksi = 10^3 psi = 6.89 MPa = 6.89x10^6 Pa R: d) E = 207 GPa
- Una proveta d'acer de resistència mitja té un diàmetre inicial de 12,83 mm i una longitud calibrada de 50,8 mm. Es sotmet a un assaig de tracció i les dades força-allargament obtingudes s'inclouen en la Taula adjunta. L'allargament mesurat després de l'assaig és de 10,67 mm i el diàmetre en la zona d'estricció és de 9,40 mm. a) Dibuixeu el diagrama tensió-deformació, b) estimeu el límit elàstic, c) calculeu la resistència a la tracció, d) calculeu la tensió de ruptura, e) Determineu el % d'allargament i el % d'estricció, f) Determineu el mòdul d'elasticitat.
F(N)x10^3 8 , 9 26,7 44,5 53 , 4 57, 4 60,5 62,3 67,
l(mm)x10-^2 1,5^ 4,8^ 8,4^ 10,2^ 10,9^ 13,7^ 22,9^ 42,
F(N)x10^3 81,9^ 89,0^ 99,68^ 109,0^ 113,0^ 95,
l(mm)x10-^2 9 6,5^ 128,8^281 500 695 Rupt
R: a) E = 207GPa, d) %e = 21%, %Z = 46%
- Definiu: a) Fractura fràgil, b) Fractura dúctil, c) Assaig Charpy, d) Fatiga, e) Fluència, f) Descriviu l'assaig de duresa i els diferents tipus de penetradors i d'escales
- Una proveta d'acer 4340, que te una tenacitat de fractura en deformació plana de 54,8 MPa(m)½, es troba sota un esforç de tracció (tensió) de 1030 MPa. Si l'esquerda major de la superfície es de 0,5mm, ¿es trencarà?. Justifiqueu la resposta. Suposeu el valor del paràmetre Y = 1,0. R= no trenca.
- Un aliatge d'alumini emprat en aviació te una tenacitat de fractura de 40 MPa(m)½^ i es trenca a una tensió (esforç de tracció) de 300 MPa si la longitud de l'esquerda crítica és de 4,0 mm. Es trencarà a una tensió (esforç de tracció) de 260 MPa si l'esquerda interna més gran te una longitud de 6,0 mm?. ¿Per què?. R: No trenca.
- Una barra d’acer de 20 cm de llarg i 0,30 cm de diàmetre es sotmet a tracció
amb una força de 4000 N. Si el diàmetre disminueix a 0,27 cm, determineu la tensió nominal a la que està sotmesa i la deformació que pateix.
R: σ = 566 MPa, ε = 0,
- Una barra de 0,505 polsades de diàmetre d’un aliatge d’alumini és estirada fins
a ruptura en un assaig de tracció. Si el diàmetre final de la barra a la superfície és de 0,425 polsades, quin és el percentatge de reducció d’àrea en la mostra degut a aquest assaig?
R: ΔS = 29%
- Les dades de fluència en estat estacionari d’un acer inoxidable a una tensió de
70 MPa són les de la taula. Si se sap que el valor de l’exponent de tensió n per aquesta aleació és 7,0. Calcular la velocitat de fluència en estat estacionari a 1250 K i a un nivell de tensió de 50 MPa
(s-1) T(K)
1.0 E-5^977
2.5E-3^1089
R: 0.118 s^ ^1
- a) Calcular l’Energia d’activació de fluència (Qc) per l’aliatge S-590 si el
comportament en estat estacionari és el que es mostra a la següent figura. Usar les dades a una tensió de 300 MPa i T de 650 ºC i 730 ºC. Suposar que l’exponent de tensió n és independent de la T. b) Estimar a 600 ºC (873 K) i a 300 MPa.
R: 480 KJ·mol-
- En un semiconductor de silici pur a 300 K el nombre de portadors de càrrega és
de 1,5 10 16 àtoms/m^3. Calculeu: a) El nombre d’àtoms de silici per m^3 , indicant la relació entre el nombre de
- Expliqueu: a) Diferències entre conductors, semiconductors i dielèctrics. b) Com afecta la temperatura a la conductivitat en un material conductor i en un semiconductor.
- Expliqueu: a) Relació entre l'energia d'una radiació, la seva freqüència i la seva longitud d'ona. b) Perquè els metalls absorbeixen i/o reflecteixen la radiació incident per sobre de la meitat de l'interval del ultraviolat c) A què és degut el color d'alguns metalls. c) El procés de luminiscència i distingiu entre fluorescència i fosforescència.
- Per un acer al carboni tenim les següents dades:
H(A/m) 0 15 30 50 60 70 80 100
B(tesla) 0 0,007^ 0,033^ 0,100^ 0,300^ 0,63^0 0,900^ 1,
H(A/m) 150 200 300
B(tesla) 1,34 1,41 1,
a)Construïu un gràfic de B en front de H. b) Quins valors tenen la permeabilitat inicial i la permeabilitat inicial relativa. c) Quin es el valor màxim de la permeabilitat. d) A quin valor de H es dona aquest màxim?.
- Definiu: a) corrosió i tipus de corrosió, b) oxidació i tipus d'òxid format, c) tipus de velocitat d'oxidació, d) Factors que contribueixen a la prevenció de la corrosió.
- Un tanc cilíndric de acer dolç (baix en carboni) de 1 m d'alçada i 50 cm de diàmetre, conté aigua airejada fins a un nivell de 60 cm, i presenta una pèrdua de pes per corrosió (uniforme) de 304 g en 6 setmanes. Calculeu l' intensitat i la densitat de corrent implicades en la corrosió. d(Fe) = 7.87 g/cm^3 , M = 55. g/mol. R: 2.55·10-5^ A/cm^2
- La paret d'un tanc d'acer que conté aigua airejada presenta corrosió a una velocitat de 54.5 mdd ( mg/dm^2 .día). Calculeu el temps transcorregut per tal que la paret presenti una disminució de gruix de 0.50mm.(d=7.87 g cm^3 , M = 55.85 g mol-1). R: 2 anys.
- Una mostra de cinc s'oxida uniformement en una dissolució aquosa amb una densitat de corrent de 4.27x10-7^ A/cm^2. Calculeu la velocitat de corrosió del cinc en (mg / dm^2 dia ó mdd). R: 1.25 mdd
- Un ànode de sacrifici de magnesi de 2.2 kg es troba en un vaixell d'acer. Si
l'ànode es corroeix completament en 100 dies, calculeu quina es la intensitat de corrent produïda per l' ànode en aquest període. R: 2.02Å
- Una mostra de 1 cm^2 i un gruix de 0.75 mm amb 99.94 % en pes de níquel
s'oxida en O 2 a 1 atm de pressió a 600 C. Després de 2 hora el guany en pes de 70 g/cm^2. Si el material presenta un comportament d'oxidació parabòlica,
calculeu el guany de pes després de 10 h. R: 361 g.
- Per els següents polímers: Polietilè, polipropilè, poliestirè, politereftalat d’etil (PET), Nylon 6,6, i poliester, indiqueu a partir de quina/es unitats mèriques s’obtenen i quina estructura en cal esperar.
- Vistes les propietats mecàniques dels següents polímers expliqueu les diferencies en funció de la seva estructura:
Polímer E (G Pa) M (MPa) (ruptura) Polietilè BD 0,17-0,18 8,3-31, Polipropilè 1,14-1,55 31- Poliestirè 2,28-3,28 36- Tefló 0,40-0,55 14- Poliester 2,07-4,41 41-
- Calculeu el grau de polimerització si: a) el Polietilè te una massa molecular de 100.000 g. b) el niló 6,6 amb una massa molecular de 120.000 g.
