PROPIEDADES MECNICAS

En los procesos de diseo y construccin de objetos tcnicos, nos vemos obligados a elegir entre varios materiales para el desempeo de una determinada tarea. Para elegir un material debemos considerar cuatro aspectos:Sus propiedades (dureza, densidad, conductividad, etc.) y sus cualidades estticas (color, textura, brillo, etc.) deben de ser adecuadas para la funcin que ha de desempear.Debemos disponer de los conocimientos tcnicos y de las herramientas necesarias para su manipulacin.Disponibilidad y precio del material.El impacto medioambiental durante la fabricacin uso y desecho. Durante el proceso de diseo debemos considerar como afectar nuestro objeto al medio ambiente, durante la construccin, la utilizacin y el desecho. El abuso de materiales no reciclables puede acabar con los recursos y convertir el entorno en un vertedero.

Los materiales que son empleados usualmente en el diseo industrial se encuentran ya en distintos formatos comerciales, como: listones, chapas, hilos, barras, bloques, etc.Como ya ha sido sealado, el primero de los factores a tener en cuenta son las propiedades, en funcin de la misin que tiene que desempear el objeto que estamos diseando. Estas propiedades se refieren a varios aspectos:Propiedades fsicas.Propiedades mecnicas.Propiedades funcionales.Propiedades elctricas y magnticas.Propiedades pticas.Propiedades estticas

PROPIEDADES FISICASLas propiedades fsicas se refieren a aspectos relacionadas con los fenmenos fsicos que afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.Densidad

La densidad es la relacin entre la masa y el volumen de un cuerpo; es decir, forma la masa correspondiente a una unidad de volumen. Generalmente se considera el peso especficoLa densidad se debe tener en cuenta cuando un cuerpo tiene que flotar o tener poco peso. Por ejemplo las boyas, que han de flotar se deben construir con materiales poco densos, o las piezas para aviones. Por el contrario las pesas, para bsculas deberan ser bastante densas para ocupar poco espacio. Tambin debe ser poco denso el material de embalaje.

MaterialPeso Especfico (gf/cm3)Aluminio2,7Latn8,5Bronce8,2Plata10,5Hierro7,8Acero7,9

Conductividad trmica

Un material es un buen conductor trmico cuando deja pasar el calor con facilidad, en caso contrario, su conductividad trmica ser baja. Todos los metales son buenos conductores del calor, mientras que el aire es un buen aislante trmico.Son empleados buenos conductores trmicos para las bateras de cocina, las sartenes, los calentadores y radiadores, para la suela de una plancha, etc. Sin embargo emplearemos malos conductores para los mangos de las sartenes y ollas, para aislar las construcciones o para aislar el calor de un horno.Dilatacin trmica

Los materiales suelen dilatarse y aumentar de tamao al aumentar la temperatura y contraerse al disminuir (Coeficiente de dilatacin positivo).Los materiales con un coeficiente de dilatacin negativo, aumenta de tamao al disminuir la temperatura y disminuyen de tamao al aumentar la temperatura.La dilatacin trmica de algunos materiales, se aprovecha para fabricar termostatos, ya que al dilatarse, separarn las lminas de un interruptor, y por lo tanto interrumpirn el suministro de energa elctrica; cuando el dispositivo se enfra, la pieza se contrae y vuelve a conectar el circuito elctrico. Los termostatos los podemos encontrar en las planchas, braseros, radiadores, etc.Otra aplicacin de la dilatacin trmica est en la construccin de termmetros. El mercurio de un termmetro se dilata al aumentar la temperatura y marca la medida en una escala graduada.Tambin se aprovecha esta propiedad para encajar piezas, por ejemplo el eje de una vagn de tren con su rueda, para encajarlo dilataremos el agujero y contraeremos el eje, cuando ambas partes tengan la misma temperatura, se apretarn entre ellos

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALESLas propiedades mecnicas tienen que ver con el comportamiento que tienen los materiales frente a los distintos esfuerzos mecnicos a los que son sometidos. Generalmente el material se deforma temporal o permanentemente, o se rompe; por lo tanto decimos que un material resiste un determinado esfuerzo, cuando no se deforma excesivamente o no se rompe.Ante un esfuerzo una material pude tener tres respuestas: Deformarse elsticamente (deformacin reversible) Deformarse plsticamente (deformacin permanente) Romperse.

Plasticidad

La plasticidad es la propiedad que hace que un material pueda deformarse fcilmente y de forma permanente, aplicando fuerzas de poca o mediana intensidad. El material plstico por excelencia ser la plastilina; su nombre hace, por tanto referencia a esta propiedad. Tambin reciben su nombre de esta caracterstica los plsticos, ya que son fcilmente moldeables. La plasticidad es una propiedad importante, cuando tenemos que darle a una pieza formas complejas, mediante deformacin.Ductilidad

La ductilidad es un tipo determinado de plasticidad. Un material es dctil cuando es fcilmente deformable en forma de hilos sin romperse. Un ejemplo de material dctil es el cobre que lo podemos transformar fcilmente en hilos.Maleabilidad

La maleabilidad es otro tipo de plasticidad. Un material es maleable cuando es fcilmente deformable en forma de lminas sin romperse. Un ejemplo de material muy maleable es el oro, material con el que podemos fabricar lminas de tan solo una micras de grosor (pan de oro).

Rigidez

La rigidez es la resistencia que opone un cuerpo a deformarse cuando es sometido a un esfuerzo de flexin o torsin. La rigidez es importante en el material de una llave inglesa o una llave fija.Flexibilidad

Flexibilidad es justo lo contrario de rigidez, un material es flexible, cuando se deforma elsticamente (de forma reversible) al someterlo a esfuerzos de flexin o torsin. El chasis de un camin debe ser algo flexible para que pueda absorber pequeas deformaciones que se producen en la estructura, cuando el camin circula por terrenos que no son perfectamente planos. Tambin deben ser flexibles las hojas de las sierras o los resortes.Tenacidad

La tenacidad es la propiedad que hace que un objeto pueda soportar impactos sin romperse. Un yunque, por ejemplo debe de construirse con material tenaz, al igual que un martillo, un mazo o un cincel; ya que continuamente estn recibiendo golpes. Por el contrario el cristal que protege la manguera de incendios ha de ser frgil y no tenaz para que pueda romperse con un pequeo golpe.

Fragilidad

Fragilidad es justamente lo contrario de tenacidad. Un material es frgil, cuando se rompe al aplicar una fuerza, sin deformarse previamente. Los materiales frgiles tienen las fases elstica y plsticas muy reducidas.La fragilidad es una propiedad pocas veces deseada y suele venir impuesta por materiales que tienen otras propiedades aprovechables. El cristal de emergencia de un autobs deber ser frgil para que en caso de accidente lo podamos romper con un pequeo golpe.Dureza

La dureza mide el grado de oposicin de un material a ser rayado o a desgastarse. Un material es mas duro que otro si no puede ser rayado por el.Existen varios procedimientos para determinar la dureza de un material, como los ensayos de penetracin y el ensayo de Martens, que determina la dureza por el ancho de la raya que un diamante, de forma piramidal, produce al rayar un material con una fuerza determinada.Los materiales duros se emplean en herramientas de corte o en piezas que sufren grandes desgastes, como el cilindro y los segmentos de un motor de explosin.La dureza suele ir unida a la fragilidad, generalmente cuanto mas duro es un material mas frgil resulta, por lo tanto solo buscaremos la dureza cuando es estrictamente necesaria y no vuelve el objeto demasiado frgil. El diamante es un material muy duro, aunque es muy frgil

Resistencia a la traccin

Un cuerpo est sometido al esfuerzo de traccin cuando sobre el actan dos fuerzas iguales, de sentido contrario y hacia fuera del objeto.Un cuerpo sometido a traccin se deforma alargndose y estrechndose; esto es, los planos paralelos al esfuerzo tienden a unirse, mientras que los perpendiculares tienden a separarse.Los materiales resistentes al esfuerzo de traccin se emplearn en el diseo de piezas que tengan que soportar pesos colgados, en cables de puentes y ascensores, cadenas. etc.Resistencia a la compresin

Un cuerpo se encuentra sometido a compresin, cuando sobre el actan dos fuerzas iguales, de sentido contrario y hacia dentro del objeto.Un cuerpo sometido a compresin se deforma acortndose y ensanchndose; esto es, los planos paralelos al esfuerzo tienden a separarse, mientras que los perpendiculares tienden a unirse. Como se ve, todo lo contrario que la traccin.Cuando sometemos a compresin un cuerpo cuya longitud es muy grande con respecto a su seccin este se flexiona curvndose, a esta deformacin se le denomina pandeo.Es necesario emplear materiales resistentes a la compresin en objetos que tienen que soportar pesos, como las patas de una silla o una mesa, los pilares, las columnas, etc.

Resistencia a la flexin

El esfuerzo de flexin es una combinacin de los esfuerzos de traccin y compresin. El esfuerzo de flexin deforma los elementos de manera que se comban. Un ejemplo de flexin es una viga apoyada en uno o en los dos extremos y que soporta un peso.Cuando un elemento se encuentra sometido a flexin, se producen una serie de tensiones transversales a lo largo de este cuerpo como consecuencia de la flexin.Las vigas, los tablones de un andamio, el tablero de una mesa, la tabla de un trampoln, son algunos ejemplos de objetos que han de fabricarse con materiales resistentes a la flexin.Resistencia a la torsin

Un cuerpo est sometido a torsin cuando se intentan girar sus extremos en sentidos opuestos. Sus secciones tienden a tomar movimientos de rotacin en sentidos opuestos. Si la fuerza es suficiente, tambin se produce el desgarro o cortadura.Se encuentran sometidos a torsin todos los ejes que transmiten movimientos de giro: los destornilladores, las llaves de una cerradura, etc.

Fatiga

La fatiga se pude definir como una fractura progresiva; se produce cuando una pieza est sometida a un esfuerzo repetido o cclico. Aunque no se supere el lmite elstico el material puede romperse en poco tiempo. Durante el movimiento cclico, no se observa deformacin aparente, pero se van produciendo pequeas grietas, que disminuyen la seccin eficaz, hasta que la pieza no puede soportar el esfuerzo y se rompe.Es importante emplear materiales resistentes a la fatiga en aquellas piezas que tienen que aguantar vibraciones o cargas variables en el tiempo, como son los amortiguadores, o las piezas de motores de combustin interna.Cuando cortamos un alambre flexionndolo de forma repetitiva, la rotura se produce por fatiga.

ENSAYOS MECANICOS

Para conocer el comportamiento de los materiales ante diversas situaciones reales de trabajo, se efectan los ensayos mecnicos utilizando una muestra del material a ensayar conocida como probeta. Los ensayos mecnicos pueden ser destructivos y no destructivos. El ensayo destructivo ms importante y universal es el ensayo de traccin uniaxial.Ensayo de traccinEl ensayo de traccin se puede realizar fcilmente y permite determinar varias caractersticas mecnicas importantes de los materiales, las que pasan a ser criterios de su calidad; al mismo tiempo permiten juzgar con suficiente exactitud el comportamiento del material cuando est sometido a otros tipos de solicitaciones. Estas caractersticas lo convierte en el ms universal de los ensayos.

La mquina de ensayo impone la deformacin desplazando el cabezal mvil a una velocidad seleccionable; se utilizan dispositivos especiales para medir los desplazamientos producidos en la probeta, en unidades de longitud. Utiliza en su parte frontal una escala graduada en unidades de fuerza donde se puede leer con facilidad el valor de la carga aplicada de acuerdo a la escala utilizada. Tambin consta de un sistema para grficos, que permite obtener el diagrama de traccin del material ensayado; en el eje de las abscisas se registra el alargamiento y en el eje de las ordenadas las cargas actuantes.

1.dwg

Para la realizacin de este ensayo se utilizan probetas normalizadas de acuerdo a las normas existentes, pueden ser probetas largas en las cuales la longitud de trabajo (l0) es 10d y probetas cortas donde l0= 5d.En estos ensayos pueden utilizarse probetas de seccin transversal no circular: cuadrada y rectangular, en este caso la longitud l0 se determina por la siguiente expresin:Probetas largas

Probetas cortas

El diagrama obtenido de la mquina en el ensayo de traccin, est en funcin de la carga (P), y de la deformacin (l). Sin embargo, refiriendo la fuerza actuante al rea inicial (A) y el desplazamiento a la longitud inicial (l), se obtiene entonces el diagrama en coordenadas tensin vs deformacin ( vs ); esto se realiza para expresar la resistencia en trminos independientes del tamao de la probeta.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elstica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.Se tiene entonces que en la zona elstica se cumple:F = K (L - L0)F: fuerzaK: cte del resorteL: longitud bajo cargaL0: longitud inicial

Cuando la curva se desva de la recta inicial, el material alcanza primero el lmite elstico y luego el punto de fluencia, desde aqu el material comienza a adquirir una deformacin permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedara ms larga que al principio. Deja de ser vlida nuestra frmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona plstica del ensayo de traccin. El valor lmite entre la zona elstica y la zona plstica corresponde a la tensin limite de elasticidad; sin embargo desde el punto de vista prctico, generalmente se admite como lmite el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como:F = Fyp (yield point)Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un mximo en F = Fmx. Entre F = Fyp y F = Fmx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmx la probeta muestra su punto dbil, concentrando la deformacin en una zona en la cual se forma un cuello. La deformacin se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor rea, provocando la ruptura.

La figura muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga mxima y luego de la ruptura.

A partir de los valores que son obtenidos en el grfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-Deformacin ( vs ). El esfuerzo se expresa en unidades de fuerza partido por rea. La deformacin es unidimensional.

Los diagramas esfuerzo-deformacin de diversos materiales varan ampliamente y diferentes ensayos de traccin con el mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas caractersticas comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categoras: materiales dctiles y materiales frgiles, conceptos definidos anteriormente.Durante el ensayo de traccin, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plstica, pero antes de producirse la ruptura, la curva vs cambia de forma. La longitud de la probeta tiende a recuperarse, pero no alcanza la longitud inicial, quedando con una longitud mayor, que se denomina deformacin permanente. A nivel grfico, la curva se devuelve con la pendiente de la zona elstica como se muestra

Si la curva vs del material no presenta claramente dnde termina la zona elstica y comienza la zona plstica, se define como punto de fluencia al correspondiente a una deformacin permanente del 0,2%. La siguiente figura ilustra lo anterior, mostrando el diagrama de esfuerzo contra deformacin para cobre policristalino.

El propsito del ensayo de traccin consiste en determinar, mediante el proceso de traccin de una probeta metlica hasta la rotura, sus caractersticas mecnicas; estas son:p Lmite de proporcionalidad.f Lmite de fluencia.r Lmite de rotura.E Modulo de Elasticidad% = x 100Porciento de elongacin.% = x 100 Porciento de estriccin

La determinacin de las propiedades plsticas del material se realiza a travs del % de elongacin o alargamiento y la estriccin o la reduccin relativa. Ambos parmetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negacin de la ductilidad. Un material poco dctil es frgil.

Ensayo de impacto

La experiencia ha demostrado que algunos materiales que ofrecen considerables resistencia a los esfuerzos estticos, muchas veces fallan con facilidad con una carga aplicada repentinamente, por ejemplo, un martillazo. Tal es el caso del hierro fundido, aceros con alto contenido de carbono, cristal y algunos plsticos.Es posible que para un material proyectado en un diseo, algunas propiedades como resistencia ltima, alargamiento, etc, sean satisfactorias; pero su resiliencia sea extremadamente bajo. Despus de un tratamiento trmico apropiado las propiedades fsicas estticas no sern afectadas particularmente, pero su resistencia al impacto puede subir 8 12 veces.Por tanto, una experiencia de impacto antes de poner un material en servicio, detectara la fragilidad y evitara el fallo consecuente. Estos resultados de fragilidad no son mostrados ms que por la prueba dinmica de impacto.

Una prueba de impacto es una prueba dinmica en la que una muestra seleccionada, maquinada y usualmente muescada, es rota por un simple golpe en una mquina de pruebas especialmente diseada donde se mide la energa consumida en romper la muestra. Estos valores de energa as determinados son comparaciones cualitativas de una muestra seleccionada y no pueden ser convertidos en valores de energa que sirvan para clculos de diseo de ingeniera.A partir del valor de la energa consumida podemos tambin determinar la resistencia a la percusin o viscosidad percutoria (tambin resiliencia al impacto), que no es ms que la energa consumida en la rotura (kgf- metro), dividida por el rea de la seccin en la muesca (centmetros cuadrados), que es una medida apropiada para juzgar la tendencia de la muestra a la fragilidad, a la bondad de la forja, al tratamiento trmico, as como su sensibilidad, a la deformacin en fro.Las roturas y el valor de la resiliencia, estn sujetos a variables: Temperatura del ensayo;Dimensiones de la muestra; Terminacin de la muestra y forma de la entalla.

Para determinar la resiliencia de los metales se utilizan ampliamente los martinetes pendulares, se fabrican con diferentes lmites del cambio de la energa gastada para romper la probeta durante el impacto. El martinete pendular consta de una bancada de fundicin hecha de forma de una losa maciza de cimiento con dos columnas verticales, un pndulo y un dispositivo de medicin Arriba, sobre la columna de la bancada se sita el eje horizontal que gira libremente entre cojinetes de bolas. Sobre este eje, en el espacio dentro de las columnas esta puesto el pndulo que consta de una barra de suspensin y un martillo pesado que parece un disco plano. El martillo tiene una profunda ranura, cuyo fondo tiene sujetado el cayillo de acero templado que es el punzn del pndulo. La arista de choque del cuchillo coincide exactamente con la recta que pasa por el centro del eje y el centro de gravedad del martinete. Cuando el aparato no funciona, el pndulo cuelga libremente, siendo estrictamente vertical la lnea que va unido su centro de gravedad con el centro del eje

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En la ejecucin de una prueba de impacto, la carga puede aplicarse en flexin, traccin, compresin o torsin, la carga por flexin es la ms comn; la de traccin es la menos, y las cargas de impacto compresivas y torsionales son slo usadas en circunstancias especiales. Las pruebas de impacto ms comnmente usadas para acero son las de Charpy y la de Izod, usando en ambos mtodos el principio del pndulo. La prueba se realiza sobre una pequea probeta muescada y dispuesta apropiadamente para ser rota en flexin. El efecto del golpe depende generalmente de la masa de las partes que reciben el golpe. Los factores que requieren normalizacin son la base o cimentacin del equipo, el porta probeta, la probeta, la masa golpeante y su velocidad En la prueba Charpy la muestra es soportada como una viga simplemente apoyada.En la prueba Izod, esta es soportada como una viga en voladizo.

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Esfuerzos admisibles y factor de seguridad.

El esfuerzo admisible define la relacin entre la propiedad mecnica (tensin lmite) y la reserva de seguridad, siendo su magnitud inferior a la propiedad mecnica.Generalmente se admite:para materiales plsticos

para materiales plsticos

El coeficiente de seguridad garantiza la reserva de seguridad que el diseador considere pertinente dadas la caractersticas y peculiaridades del diseo que est realizando

Condicin de resistencia:Para Estados Tensionales Lineales:Para las tensiones normales.

Para las tensiones tangenciales.

Para el estado tensional compuesto.

Condicin de rigidez:Deform mx. Deform admisibleDesplaz mx. Desplaz admisible

Concentracin de tensiones.Corresponde a un aumento sbito del valor de las tensiones en la porcin de los elementos con caractersticas de cambio de forma, escalonamientos, agujeros, hendiduras o fisuras; estar dada por los coeficientes:Este coeficiente de concentracin de tesniones depende: De la forma de la entalladura Del tipo de solicitacin De las relaciones geomtricas que existen en los cambios de secciones. Del material

Nota: Se determina a travs de curvas que relacionan las caractersticas geomtricas y el tipo de solicitacin. (Siempre 1).