PROBLEMAS RESUELTOS DE INGENIERΓA DE MATERIALES
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CapΓ tulo 15
PROBLEMA 15-21
La gravedad especΓfica del π΄π2π3 es 3.96 π/ππ3. Mediante el sintetizado del polvo
de alΓΊmina se produce una pieza cerΓ‘mica. Cuando estΓ‘ seca, pesa 80 g;
despuΓ©s de sumergirla en agua, 92 g, y 58 g cuando estΓ‘ suspendida en agua.
Calcule la porosidad aparente, la porosidad verdadera y la porosidad cerrada.
Datos
π = 3.96π/ππ3 ππ= 80g ππ = 58g ππ€ = 92g
SoluciΓ³n
Porosidad aparente = ππ€βππ
ππ€βππ β 100
Porosidad aparente = 92β80
92β58β 100 = 35.3 %
Porosidad verdadera = πβπ΅
πβ 100 β¦β¦β¦. (1)
π΅ =ππ
ππ€βππ
B: DENSIDAD VOLUMΓTRICA
B = 80
92β58= 2.35
En (1)
Porosidad verdadera = 3.96β2.35
3.96β 100
Porosidad verdadera = 40.66 %
. El porcentaje de poros cerrados es la porosidad verdadera menos la porosidad
aparente, o sea 40.66-35.3 = 5.36 %. Entonces,
FracciΓ³n de poros cerrados = 5.36
40.66= 0.132
PROBLEMA 15-22
El carburo de silicio (SiC) tiene un peso especΓfico de 3,1 g / cmΒ³. Se produce una
pieza de SiC sintetizada, que ocupa un volumen de 500 cmΒ³ y que pesa 1.200 g.
DespuΓ©s de sumergirse en agua, la pieza pesa 1250 g. Calcule la densidad
volumΓ©trica, la porosidad verdadera, y la fracciΓ³n de volumen de la porosidad total
formada por poros cerrados.
Datos:
π = 3.1 π/ππ3 π = 500 ππ3 ππ = 1200 π ππ = 1250 π
SoluciΓ³n:
Hallando π½
π½ =ππ
π=
1200
500
π· = π. π π/πππ
Hallando la porosidad verdadera
Porosidad verdadera =πβπ½
ππ₯100% =
3.1β2.4
3.1π₯100%
Porosidad verdadera = 22.58%
Hallando la fracciΓ³n de volumen de la porosidad total formada por poros
cerrados
π½ =ππ
ππ€βππ
2.4 =1200
1250βππ ππ = 750
πππππ ππππ πππππππ‘π =ππ€ β ππ
ππ€ β ππ =
1250 β 1200
1250 β 750π₯100% = 10%
πππππ ππππππππ = πππππ ππππ π£ππππππππ β πππππ ππππ πππππππ‘π
πππππ ππππππππ = 22.58% β 10% = 12.58%
ππππππ ππππππππ =πππππ ππππππππ
πππππ ππππ π£ππππππππ=
12.58%
22.58%
ππππππ ππππππ ππ = π. πππ
Problema 15-29
Calcule la relaciΓ³n O:Si cuando se agrega SiO2 30% en peso de Y2O3. ΒΏEste
material tendrΓ‘ buenas tendencias de formaciΓ³n de vidrio?
SoluciΓ³n:
πππ‘πππ = 2(88.91) + 3(16) = 225.82π
πππ
ππ πππππ = (28.08) + 2(16) = 60.08π
πππ
La fracciΓ³n molar de itria es (suponiendo 100 gr de cerΓ‘mica):
πππ‘πππ =
30 π225.82 π/πππβ
30 π225.82 π/πππβ +
70 π60.08 π/πππβ
= 0.102
Entonces la relaciΓ³n O:Si es:
π
ππ=
(3πππππ π
π2π3 ) (0.102) + (2πππππ π
πππ2 )(0.898)
(1πππ πππππ2 )(0.898)
= 2.34
El material producirΓ‘ vidrio.
CapΓ tulo 16
Problema 16-11
Una cuerda de polietileno pesa 0.25 lb por pie. Si cada cadena contiene 7000
unidades de repeticiΓ³n.
a) Calcule el nΓΊmero de cadenas de polietileno en un tramo de 10 pies de
cuerda.
b) Calcule la longitud total de cadenas dentro de la cuerda, suponiendo que
los Γ‘tomos de carbono en cada cadena estΓ‘n separados aproximadamente
0.15 nm y la longitud de una unidad de repeticiΓ³n es 0.24495 nm.
SoluciΓ³n:
El peso molecular de etileno es 28 g/mol, por lo que el peso molecular del
polietileno es 7,000x28=196,000 g/mol.
El peso de la longitud de 10 pies de cadena es
0.25ππ
ππ‘β 10 ππ‘ β 454
π
ππ= 1,135 π
a) El nΓΊmero de cadenas es:
(1135 π)(6.02 π₯1023 πππππππ πππ
)
196000π
πππ
= 34.86 π₯ 1020πππππππ
b) La longitud por unidad de repeticiΓ³n es 0.24495 nm. por lo tanto la longitud
de cadena que contiene 7000 unidades de repeticiΓ³n es:
πππ ππππππ = (7000)(0.24495 ππ) = 1715 ππ = 1.715 π₯ 10β4 ππ
πππππ πππ πππππππ = (1.715 π₯ 10β4ππ
ππππππ) (34.86 π₯ 1020 πππππππ )
= 5.978 π₯ 1017 ππ = 3.7 π₯ 1012 ππππππ .
PROBLEMA 16-25
A un sujetador hecho de un polΓmero usado en un ensamblaje complejo se le
aplica un esfuerzo de 2500 psi. A una deformaciΓ³n constante, el esfuerzo se
reduce a 2400 psi despuΓ©s de 100 horas. Si para que la pieza funcione
correctamente es necesario que el esfuerzo se mantenga por arriba de 2100 psi,
determine la vida del ensamble.
Datos:
π0 = 2500 ππ π
para π = 2400 ππ π π‘ = 100 βππππ
ππππ = 2100 ππ π
SoluciΓ³n:
π = π0π(βπ‘
π) 2400 = 2500π(β
100
π) π = 2449.66 βππππ
Hallando la vida del ensamble:
π = π0π(βπ‘
π) 2100 = 2500π(β
π‘
2449.65) π = πππ. ππ πππππ
PROBLEMA 16-26
A un polΓmero que opera bajo una deformaciΓ³n constante se le aplica un esfuerzo
de 1000 psi; despuΓ©s de seis meses, el esfuerzo baja a 850 psi. Para una
aplicaciΓ³n especΓfica, una pieza fabricada a partir del mismo polΓmero debe
conservar un esfuerzo de 900 psi despuΓ©s de transcurrir 12 meses. ΒΏCuΓ‘l deberΓa
ser, para esta aplicaciΓ³n, el esfuerzo original que debe aplicΓ‘rsele?
Datos:
π0 = 1000 ππ π
Para π = 850ππ π π‘ = 6 πππ ππ
πππππ πππ£πππ = 900 ππ π
SoluciΓ³n:
π = π0π(βπ‘
π) 850 = 1000π(β
6
π) π = 37 πππ ππ
Hallando el esfuerzo original de la pieza fabricada
π = π0π(βπ‘
π) 900 = π0π(β
12
37)
π0 = 1244.8 ππ π
El esfuerzo original de la pieza debe fabricarse significativamente
subdimensionada, de manera que pueda deslizarse sobre los materiales que van
a unirse con una tensiΓ³n de 1244.8 Psi, despuΓ©s de 12 meses el esfuerzo sigue
siendo 900 Psi.
CapΓ tulo 17
Problema 17-8
Se tiene una muestra que contiene el 2% de peso de Torio y el resto de NΓquel,
esta se consolida formando una pieza y luego se sinteriza en presencia de
OxΓgeno para que todo el Thorio genere esferas de ThO2 de 80 nm de diΓ‘metro.
Calcule el nΓΊmero de esferas de ThO2 por cm3, si se sabe que la densidad del
ThO2 es de 9.69 g/cm3 y la del NΓquel es 8.9 g/cm3.
SoluciΓ³n:
Hallando fracciΓ³n volumΓ©trica del diΓ³xido de Thorio:
ππβπ2=
ππππ’πππ ππ πβπ2
ππππ’πππ π‘ππ‘ππ=
π πβπ2
π πβπ2
π πβπ2
π πβπ2
+πππ
πππ
=
29.69
29.69 +
988.9
= 0.0184
Es decir por cada cm3 de material hay 0.0184 cm3 de ThO2.
Luego hallando el volumen de una esfera de ThO2 :
πππ. ππ ππππ πβπ2 =4
3ππ3 =
4
3π β (
80 β 10β9π
2)
3
= 2.68 β 10β16ππ3
Por lo tanto el nΓΊmero de esferas de ThO2 serΓ‘:
πΒ° ππ ππ πππππ ππ πβπ2 ππ 1ππ3 =ππππ’πππ ππ πβπ2 ππ 1ππ3
ππππ’πππ ππ ππ ππππ=
0.0184
2.68 β 10β16
= 6.86 β 1013 ππ πππππ ππ πβπ2
17-10 Por oxidaciΓ³n interna, se introducen en el tungsteno partΓculas de itria
(Y2O3) de 750 Γ de diΓ‘metro. Las mediciones utilizando un microscopio electrΓ³nico
muestran que hay 5 Γ 1014 partΓculas de Γ³xido por cmΒ³. Calcular el % en peso del
Y que existΓa originalmente en la aleaciΓ³n. La densidad de Y2O3 es 5,01 g / cmΒ³.
SoluciΓ³n: El volumen de cada partΓcula es:
πππ₯πππ = (4π’
3) (
750
2β 10β8ππ3) (π) = 2.209 β 10β16ππ3
El volumen total de partΓculas de Γ³xido por cm3 viene dada por:
ππ¦π‘π‘πππ = (2.209 β 10β16ππ3)(5 β 1014ππππ‘πππππ ) = 0.11ππ3
Por consiguiente, la fracciΓ³n de volumen de itria es
πππ₯πππ = 0.11
Los porcentajes en peso de Γ³xido de tungsteno son:
π€π‘%π2π3 =(0.11)(5.01π/ππ3)
(0.11)(5.01) + (0.89)(19.254)β 100 = 3.116%
π€π‘%π = 96.884%
En 1 g de material, hay 0,03116 g de Γ³xido. De la ecuaciΓ³n
2π + (3
2) π2 = π2π3
πππ π 2β (88.91 π πππβ ) = 0.03116π ππ π2π3/ 225.82π/πππ
π₯ = 0.0245π ππ π
El porcentaje en peso Y en la aleaciΓ³n original, por lo tanto:
π€π‘%π =0.0245π π
0.0245π π + 0.96884π πβ 100 = 2.47%
CapΓ tulo 18
18-6 En una sala de 60 x 60 pies se utiliza un piso hecho de tablones de arce de
1 pulg de espesor, 6 pulg de ancho y 16 pies de largo. Los tablones fueron
cortados utilizando un corte tangencial longitudinal. El suelo estΓ‘ establecido
cuando las placas tienen un contenido de humedad del 12%. DespuΓ©s de algunos
dΓas particularmente hΓΊmedos, el contenido de humedad aumenta hasta 45%.
Determinar el cambio dimensional en el suelo de forma paralela a las juntas y
perpendicular a las tablas. ΒΏQuΓ© pasarΓ‘ con el suelo? ΒΏCΓ³mo se puede corregir
este problema?
SoluciΓ³n:
Perpendicular:
πΆπ‘πππππππππ = 0.00353 ππ’ππ ππ’ππ β %π»2π ππ ππππ
βπ₯ = π₯π[π(ππβππ)] = 6[0.00353(45 β 12)] = 0.699ππ’ππ ππ 6ππ’ππ.
En un lapso de 60 pies: βπ₯ =(60 ππππ )(12ππ’ππ ππππ β )(0.699 ππ’ππ)
6 ππ’ππ= 83.9
Por consiguiente, el piso serΓ‘ hebilla debido a la gran cantidad de expansiΓ³n de
las placas perpendiculares al suelo.
Paralelo:
Para la mayorΓa de los bosques, sΓ³lo alrededor de un cambio de 0.2% en las
dimensiones se produce longitudinalmente. AsΓ, el cambio total en la longitud de
los tableros serΓ‘ de unos
βπ¦ = (0.002)(60 ππππ )(12 ππ’ππ ππππ β ) = 1.44 ππ’ππ
18-7 Una pared de 30 pies de largo se construye mediante cortes radiales-
longitudinales de pino de 5 pulgadas de ancho y disponiendo los tablones en
forma vertical. La madera tiene un contenido de humedad del 55%, cuando se
construyΓ³ el muro; sin embargo, el nivel de humedad en el ambiente se mantiene
para dar 45% de humedad en la madera. Determinar los cambios dimensionales
en los tableros de madera y estimar el tamaΓ±o de los huecos que se producen
como consecuencia de estos cambios.
Solution:
πΆπ‘πππππππππ = 0.00141 ππ’ππ. ππ’ππ.β %π»2π ππππ ππ ππππ
βπ₯ = (30ππππ )(12 ππ’ππ ππππ β )[(0.00141 ππ’ππ. ππ’ππ.β %π»2π)(45 β 55)]
βπ₯ = β5.076ππ’ππ
El nΓΊmero total de las tablas por el ancho de la pared es:
# ππ π‘πππππππ =(30ππππ )(12 ππ’ππ ππππ β )
5 ππ’ππ π‘ππππππβ= 72 π‘πππππππ
Por lo tanto hay 71 espacios entre las tablas. La anchura media de los huecos es:
πΊππ = 5.076 ππ’ππ 71ππππ β = 0.0715ππ’ππ.
Gap: brecha
Problema 18-8
Determine usted las cantidades de agua, cemento y arena en 10 m3 de concreto,
si la proporciΓ³n de cemento, arena y agregado es de 1 : 2.5 : 4.5 y la proporciΓ³n
de agua y cemento es de 0.4. Suponga ademΓ‘s que no hay aire atrapado en el
concreto. La arena que se emplea en esta mezcla contiene 4% en de agua y el
agregado contiene 2% en peso de agua. Tome como base para los cΓ‘lculos 1
saco de cemento de 94 lb. Densidad del cemento, arena, grava, y agua 190, 160,
170 y 62.4 lb/ft3 respectivamente.
SoluciΓ³n:
Tomando como base 1 saco de cemento de 94 lb podemos calcular el volumen
requerido para cada material:
π£πππ’πππππππππ‘π = πππππππ‘π
πππππππ‘π=
94 ππ
190ππ
ππ‘3
= 0.495 ππ‘3
TambiΓ©n se sabe que:
ππππππ = 2.5 β πππ πππππππ‘π
π£πππ’ππππππππ =2.5 β πππππππ‘π
ππππππ
π£πππ’ππππππππ = 2.5 β 94 ππ
160 ππ/ππ‘3= 1.469 ππ‘3
AnΓ‘logamente para la grava y el agua:
π£πππ’πππππππ£π = 4.5 β 94 ππ
170 ππ/ππ‘3= 2.488 ππ‘3
π£πππ’ππππππ’π = 0.4 β 94 ππ
62.4 ππ/ππ‘3= 0.603 ππ‘3
Luego en base a un saco de cemento se obtiene un volumen de concreto de 5.055
ft3.
Como segundo paso se requiere hallar las cantidades para un volumen de
concreto de 10 m3 , entonces se tiene:
ππππ’πππ ππ πππππππ‘π = 10 π3 β(3.28084 ππ‘)3
1π3= 353.147 ππ‘3
Luego haciendo una regla de tres simple:
1 π πππ ππ ππππππ‘π β 5.055 ππ‘3 ππ πππππππ‘π
π₯ β 353,147 ππ‘3
π₯ = 353.147
5.055= 69.861 β 70 π ππππ ππ ππππππ‘π
Ahora calculamos las cantidades de los demΓ‘s componentes:
ππππππ = 2.5 β πππππππ‘π = 2.5 β πΒ° π ππππ β 94 ππ = 2.5 β 70 β 94 = 16450 ππ
πππππ£π = 4.5 β πππππππ‘π = 4.5 β πΒ° π ππππ β 94 ππ = 4.5 β 70 β 94 = 29610 ππ
ππππ’π = 0.4 β πππππππ‘π = 0.4 β πΒ° π ππππ β 94 ππ = 0.4 β 70 β 94 = 2632 ππ
Como la arena tiene 4% en peso de agua y la grava 2% se requiere hacer unos
ajustes para hallar las cantidades hΓΊmedas de dichos componentes:
πππ π πππππ = 16450 ππ β 96%
πππ π πππππ βΓΊππππ = ? β 100 %
Luego :
πππ π πππππ βΓΊππππ =100 β 16450
96= 17135 ππ π¦ πππ’π = 685 ππ
Igualmente para la grava:
πππ π ππππ£π βΓΊππππ =100 β 16450
98= 30214 ππ π¦ πππ’π = 604 ππ
Por lo tanto realmente se necesita agregar una cantidad de agua de:
ππππ’π = 2632 β 685 β 604 = 1343 ππ
Finalmente se presenta un cuadro resumen, para una mezcla de concreto
de 10 m3 se requiere:
Agua 4% Arena seca 96%
Arena hΓΊmeda
Material Cantidad
Cemento 70 sacos
Arena 17135 lb
Grava 30214 lb
Agua 1343 lb