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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Plantel Aragón INGENIERIA INDUSTRIAL CLASE “ mecánica de materiales” trabajo GRUPO:2804 NOMBRE DE LA PROFESORA: MARTHA BERENICE FUENTES FLORES NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO DEL 2023 2 Índice Pág. TERCERA SEMANA “Identifiquemos y calculemos las propiedades Mecánicas” Bienvenida …………………………………………………………………………………….…3 Ruta de aprendizaje de la tercera semana ……………………………………………..….4 TEMA 3: Propiedades Mecánicas de los Materiales de Ingeniería Introducción al tema Aprendizajes esperados: Capacidad / Actitudes Mapa conceptual referido al tema 3.1. Importancia tecnológica. 3.2. Prueba de tensión: uso del diagrama esfuerzo-deformación 3.3. Propiedades obtenidas a partir de la prueba de tensión 3.4. Prueba de flexión para materiales quebradizos 3.5. Dureza de los materiales 3.6. Prueba de impacto 3.7. Mecánica de la fractura 3.8. Fatiga. Resultados de prueba de fatiga 3.9. Termofluencia, ruptura por esfuerzo y corrosión por esfuerzo Referencias bibliográficas Lecturas recomendadas Conclusiones de la tercera semana Metacognición 3 Al conocimiento del pasado le atribuimos la capacidad de permitirnos comprender el presente y ese presente nos sirve para hacer previsiones sobre el futuro Claude Lévi Strauss Bienvenida Estimado estudiante, recibe mi cordial saludo de bienvenida a la tercera semana del curso Materiales de Ingeniería; En esta tercera semana analizaremos las propiedades mecánicas de los materiales que nos permitirán determinar el uso y las limitaciones de cada uno de ellos basados en pruebas normalizadas internacionalmente para determinar características y parámetros específicos como son tensión, fatiga entre otros; también nos familiarizaremos en el uso de técnicas y equipos que se utilizan para determinar estos parámetros, todo esto con la finalidad deseleccionar los materiales para diseñar y obtener estructuras con buen desempeño específico. Para lograr este objetivo es necesario tener en cuenta el desarrollo claro y preciso de los materiales educativos desarrollados en las semanas anteriores ya que este capítulo los toma como base. Esperamos que el desarrollo de esta semana sea enriquecedor y estimulante animándote a que estimules el aprendizaje obtenido relacionándolo con tus actividades diarias o con aplicaciones que generen tu interés. Tercera Semana “Identifiquemos y calculemos las propiedades Mecánicas” Fu en te : h tt p :/ /u p lo a d .w ik im ed ia .o rg /w ik ip ed ia /c o m m o n s/ d /d b /A - 66 ._ C o n st ru cc i% C 3 % B 3n _d el _p u en te _s o b re _e l_ r% C 3 % A D o _A lm o n te R et o c. JP G 4 Durante esta tercera semana realizaremos varias actividades significativas, para ello, te recomendamos seguir la siguiente ruta de aprendizaje: • Lee del material de estudio semana 3 • Revisa la guía y rúbrica del foro de Debate y argumentación • Participa en el Foro de debate y argumentación (recuerda que corresponde al 30% de la evaluación) • Desarrolla del Cuestionario N°03 de Autoevaluación del aprendizaje 5 Tema 3 Propiedades Mecánicas de los Materiales de Ingeniería Bienvenido, te invito a participar en el tema “propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería” en este apartado encontraras la descripción, clasificación y formulas básicas para la determinación de las principales propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería, haremos un recorrido por los principales propiedades y cómo influyen en la selección de materiales para usos específicos, así mismo encontraras material con el que podrás evidenciar la importancia de las propiedades mecánicas de los materiales como la fatiga, dureza, elasticidad, tracción, compresión entre otras. Los materiales se requieren para transmitir la energía mecánica entre ciertas partes de una máquina. Las variables que determinan la energía mecánica son las fuerzas y los desplazamientos. Un ejemplo clásico es el conjunto gancho, cable y reductor que accionados desde un motor elevan una carga en una grúa, desplazamiento, efectuando un esfuerzo. Es lo que se denomina características mecánicas de los materiales o capacidad de transmitir o soportar las variables de energía mecánica Fu en te : h tt p :/ /i n n o va .n o va xo ve .c o m /f ile s/ 2 0 1 1 /0 1 /i n ve n ta b le s_ gr u p o .jp g http://www.slideshare.net/Sanchez-curi/nuevos-materiales-15856868 6 Introducción al tema Los materiales de ingeniería cuando prestan servicio, están expuestos a fuerzas o cargas, algunos ejemplos son los revestimientos refractarios de los hornos, las aleaciones de aluminio con las cuales se construyen las alas de los aviones, el acero de los ejes de los automóviles o las vigas y pilares de los edificios. En estas situaciones es necesario conocer las características del material y diseñar la pieza de tal manera que cualquier deformación resultante no sea excesiva y no se produzca la rotura. Las propiedades mecánicas de un material reflejan la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (o sea, su deformación). Algunas de las propiedades mecánicas más importantes son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez. Los materiales de ingeniería generan respuesta a las fuerzas aplicadas, estas respuestas depende de tres factores: el enlace; la disposición estructural de los átomos o moléculas; el tipo y número de imperfecciones, que están siempre presentes en los materiales (sólidos en su mayoría), excepto en raras circunstancias. Es evidente que la deformación originada en respuesta de la fuerza aplicada y en consecuencia, la tensión creada en el sólido elástico depende de las fuerzas de atracción molecular, es decir, de la estructura cristalina del material. Los materiales de ingeniería sometidos a cargas es considerable sin embargo estos materiales los podemos clasificar en tres grupos principales de acuerdo con el mecanismo que ocurre durante su deformación. A. Materiales elásticos: ejemplo los cristales iónicos y covalentes B. Materiales elastoplasticos: ejemplo los metales estructurales. C. Materiales viscoelasticos: ejemplo, los plásticos, los vidrios. A su vez los tipos básicos de deformación de los materiales como respuesta a las fuerzas aplicadas son tres: Elástico, Plástico, Viscoso Fu en te : h tt p :/ /a ce ro sm u ri llo .c o m .m x/ in t/ ve n ta s/ w p -c o n te n t/ u p lo ad s/ 20 1 4/ 0 2/ 0 1. jp g 7 Los materiales refractarios en servicio están sujetos a fuertes tensiones mecánicas debidas, en la mayor parte de los casos, a las dilataciones de la mampostería refractaria (Fuerzas debidas a la expansión térmica), como es el caso de los refractarios en el horno de cemento. La mayor o menor capacidad de un material para absorber dichas tensiones, deformándose sin romperse, será una de las causas de buen comportamiento del material refractario en las instalaciones. Los elementos de un cuerpo tienden a dilatarse o contraerse cuando se calientan o se enfrían respectivamente, y las deformaciones que se presentan se denominan deformaciones unitarias térmicas. Si los elementos se pueden deformar libremente, las deformaciones unitarias térmicas no vienen acompañadas de tensiones, pero si se restringe la deformación, como ocurre en el caso de la mampostería refractaria, aparecen tensiones térmicas. Los materiales sólidos con utilidades especificasen los diseños de ingeniería poseen propiedades que se determinan mediante pruebas en donde muestras estandarizadas del material son destruidas por la acción de un tipo de fuerza a la que se someten al punto de que se fracturan dando lugar al termino de propiedad mecánica. Que son las propiedades más importantes cuando se seleccionan los materiales en diseños, donde la función principal de las piezas es soportar fuerza. Para determinar la propiedad mecánica especifica de un material existen pruebas estándares de diversos tipos, en donde se aplicar a la muestra una fuerza de tensión, compresión, torsión, flexión, etc. las pruebas, especifican las características de las muestras y las condiciones de ejecución de cada prueba, a fin de que los resultados obtenidos sean válidos en cumplimiento a estándares internaciones. Los resultados de estas pruebas son imprescindibles para que los diseñadores puedan determinar el uso apropiado de los materiales. A pesar de los datos obtenidos en pruebas de las pruebas de los materiales se tienen ciertas limitaciones, entre las que se pueden mencionar que muchos de estos datos se obtienen a temperatura ambiente cuando solo se aplica un tipo de fuerza a la muestra; además, el tiempo en que se aplica la fuerza de deformación puede ser muy corto, por lo que hay que tener cuidado en su uso de los resultados, si las condiciones de servicio difieren de las condiciones en que se lleva a cabo la prueba. Esto nos enseña que, a pesar de usar materiales con propiedades conocidas, no se puede asegurar un diseño funcional si las condiciones de trabajo no corresponden a las que se usaron para obtener los datos de las propiedades de los materiales usados Aprendizajes esperados Conozcamos ahora las capacidades y actitudes a desarrollar en este tercer tema: Capacidades Identifica y calcula los esfuerzos de tensión y cortante en los materiales. Analiza el diagrama de esfuerzo-deformación en los materiales de ingeniería. Identifica que propiedades son importantes para una aplicación particular Actitudes • Reconoce la importancia de identificar y calcular los esfuerzos simples y combinados; y las deformaciones de los materiales. Fu en te : h tt p :/ /w w w .in te re m p re sa s. n e t/ Fe ri aV ir tu al /F o to sE m p re sa s/ E2 5 4 1 .j p g http://www.slideshare.net/Sanchez-curi/nuevos-materiales-15856868 8 Mapa conceptual referido al tema Observa detenidamente el siguiente esquema, en el encontrarás de un “vistazo” de manera sintetizada los principales concepto de la temática que abordaremos. ¿Qué conceptos o categorías te llaman la atención? Fuente: elaboración propia Esquema1: Mapa conceptual “Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería” 9 3.1 Importancia tecnológica Las propiedades mecánicas de los materiales son muy importantes para las operaciones y proceso de fabricación. Los ingenieros de materiales y los metalúrgicos, dirigen sus esfuerzos a producir y conformar materiales que puedan soportar las condiciones de servicio predichas por el análisis de tensiones. Esto necesariamente implica un conocimiento de la relación entre la microestructura (es decir, los detalles internos) de los materiales y sus propiedades mecánicas. Las propiedades de los materiales, se tienen que determinar, entre otras razones, para: ✓ Determinar características de nuevos materiales antes de que se puedan usar en forma confiable en los diseños. ✓ Asegurar y controlar la calidad de las materias primas y los productos que se obtienen de ellos, para que cumplan con los requerimientos especificados por los clientes. ✓ Comparar resultados obtenidos en diferentes partes del mundo. Como hemos visto la caracterización de los materiales atendiendo a sus propiedades mecánicas es de suma importancia en el diseño, ya que nos permite elegir el material correcto según la función y esfuerzos a los que estará sometido. Para que dichas propiedades se puedan comparar convenientemente es necesario que el tamaño de las probetas, así como la forma en que se aplique la carga, estén estandarizadas. Es así como surgen distintas organizaciones para establecer dicha uniformidad; este es el caso de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM), la Sociedad Americana de Normas (ASA) y el Departamento Nacional de Normas (NBS), por mencionar sólo algunos. La investigación de nuevos materiales es una constante de nuestro tiempo en todos los campos de la ingeniería se investiga en: El ingeniero debe estar más consciente que nunca de los materiales y su potencial. La innovación a menudo aporta la manera de remplazar un componente hecho de un material (digamos un metal) por uno hecho de otro (un polímero, por ejemplo), y entonces rediseñar el producto para explotar al máximo el potencial ofrecido por el cambio. El ingeniero debe comparar y sopesar con precisión las propiedades de los materiales que compiten; a veces el balance es algo delicado. Implica entendimiento de las propiedades básicas de los materiales y del modo que en que éstas se controlan por el procesado, de cómo se forman los materiales, se unen y se acaban, y de la cadena de razonamientos que dan lugar a una adecuada decisión. Fuente: Tomada de Ashby Michael F., 2009. Fu en te : h tt p :/ /w w w .r is as in m as .c o m /w p -c o n te n t/ u p lo ad s/ 2 0 1 2 /0 4 /l a- m o to -m as - re si st e n te -d el -m u n d o -r sm .jp g 10 ✓ Materiales que puedan soportar más altas temperaturas, como es el caso de las superaleaciones. ✓ Materiales que permitan conseguir más altas características resistentes combinando composiciones y procesos como son los aceros microaleados. ✓ Materiales que pueden aligerar las estructuras especialmente las móviles como en ferrocarril y automoción. Son en base aluminio y titanio. ✓ Procesos de compactación, en metalurgia de polvos, en caliente e isostático para permitir mayor control en el poro resultante y con ello en sus características ✓ Procesos de soldeo y adhesivos que permitan optimizar la continuidad entre las uniones de partes de las estructuras. ✓ Materiales poliméricos conformados por las mezclas de diversos polímeros, que combinan las mejores propiedades de ellos. ✓ Procesos de moldeo por inyección en materiales poliméricos que permiten mejorar características y costos. ✓ Moldeo por inyección de polvos metálicos que permiten conseguir formas más complejas. ✓ Materiales cerámicos que aumentan su tenacidad en la línea de las cerámicas denominadas blancas ✓ Procesos de aplicación de recubrimientos cerámicos sobre soporte metálico con el objeto de ganar resistencia al desgaste. ✓ Materiales compuestos de matriz polimérica con refuerzos de diversas composiciones que permitan mayor rigidez y características. http://img.directindustry.es/images_di/press-mg/materiales-innovadores-juguetonamente-ligeros-funcionamiento-resistente-P400343.jpg ✓ Preguntas de análisis A continuación algunas preguntas que te harán deducir la importancia tecnológica de las propiedades mecánica del curso materiales de ingeniería al mismo tiempo que descubrirás como debes realizar en el futuro una mejor selección y diseño de materiales de ingeniería para una aplicación en particular. Previamente, debes leer con atención los artículos que te alcanzo en el los links de abajo. 1. Caracteriza dos tipos de materiales de ingeniería atendiendo sus propiedades mecánicas e identifica su importancia en el diseño. 2. Relaciona las propiedades mecánicas con actividades de diseño o casos que evidencien la importancia. 11 3.2 Pruebas de tensión: Uso de diagrama de esfuerzo –deformación Durante los últimos años, la prueba de esfuerzo a tensión se ha convertidoen una de las más utilizadas y eficaces para obtener información de las propiedades mecánicas de un material. La resistencia de un material depende de su capacidad para soportar una carga sin deformación excesiva o falla. Esta propiedad es inherente al material mismo y debe determinarse por experimentación. Entre las pruebas más importantes están las pruebas de tensión o compresión. Aunque con estas pruebas pueden determinase muchas propiedades mecánicas importantes de un material, se utilizan principalmente para determinar la relación entre el esfuerzo normal promedio y la deformación normal unitaria en muchos materiales utilizados en ingeniería, sean de metal, cerámica, polímeros o compuesto. Los términos ensayo de tensión y ensayo de comprensión se usan normalmente a la hora de hablar de ensayos en los cuales una probeta preparada es sometida a una carga uniaxial gradualmente creciente (estática) hasta que ocurre la falla. En un ensayo de tensión simple, la operación se realiza sujetando los extremos opuestos de la pieza de material y separándolos. En un ensayo de comprensión, se logra sometiendo una pieza de material a una carga en los extremos que produce una acción aplastante. En un ensayo de tensión, la probeta se alarga en una dirección paralela a la carga aplicada; en un ensayo de comprensión, la pieza se acorta. Dentro de los límites de lo práctico la resultante de la carga se hace coincidiendo con el eje longitudinal de la probeta. Equipo para prueba de tensión y compresión Fuente: http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayos.pdf Los ensayos estáticos de tensión y de comprensión son los más realizados, además de ser los más simples de todos los ensayos mecánicos. Estos ensayos implican la normalización de las probetas con respecto a tamaño, forma y método de preparación y la de los procedimientos de ensayo. El ensayo de tensión es el apropiado para uso general en el caso de la mayoría de los metales y aleaciones no ferrosos, fundidos, laminados o forjados; para los materiales quebradizos (mortero, concreto, ladrillo, cerámica, etc) cuya resistencia a la tensión es baja, en comparación con la resistencia a la comprensión. (Hibberler,2006,p.87) Como hemos mencionado para llevar a cabo esta prueba se prepara un espécimen o probeta de forma y tamaño estándar. Antes de la prueba, se imprimen con un punzón a la probeta dos marcas pequeñas a lo largo de esta. Estas marcas se colocan lejos de los extremos del espécimen porque la distribución del esfuerzo en los extremos es un tanto compleja debido al agarre de las conexiones cuando se aplica una carga. Se toman mediciones tanto del área de la sección transversal inicial del espécimen A0 12 como de la distancia L0 de la longitud calibrada entre las marcas del punzón. Por ejemplo, cuando se usa un espécimen de metal es una prueba de tensión, generalmente este tiene un diámetro inicial de d0 = 0.5 pulg (13 mm) y una longitud calibrada de L0 = 2 pulg (50 mm) como se muestra en la figura con objeto de aplicar una carga axial, sin que tenga lugar la reflexión en el espécimen, por lo regular los extremos se asientan sobre juntas de rótula. (Hibberler,2006,p.87) Al respecto para conocer un poco más sobre los equipos y técnicas que se utilizan para estos ensayos te invitamos a hacer clic en el siguiente botón: El diagrama de esfuerzo – deformación unitaria A partir de los datos de un ensayo de tensión o de comprensión, es posible calcular varios valores del esfuerzo y la correspondiente deformación unitaria en el espécimen y luego grafiar los resultados. La curva resultante se llama diagrama de esfuerzo – deformación unitaria y hay dos maneras de escribirlo. El diagrama convencional de esfuerzo - deformación unitaria en donde usando los datos registrados, podemos determinar el esfuerzo nominal o de ingeniería dividiendo la carga P aplicada al área A0 de la sección transversal original del espécimen. Este cálculo supone que el esfuerzo es constante en la sección transversal y en toda la región entre los puntos calibrados. De la misma manera, la deformación nominal o de ingeniería se determina directamente leyendo el calibrador o dividiendo el cambio en la longitud calibrada δ, entre la longitud calibrada originial del espécimen L0 .Aquí se supone que la deformación unitaria es constante en la región entre los puntos calibrados. Si se grafican los valores correspondientes de δ y €, con los esfuerzos como ordenadas y las deformaciones unitarias abscisas, la curva resultante se llama diagrama convencional de esfuerzo – de formación unitaria. Este diagrama es muy importante en la ingeniería ya proporciona los medios para obtener datos sobre la resistencia a la tensión (o compresión) de un material sin considerar el tamaño o forma geométrica del material. Sin embargo, debe ser claro que nunca serán exactamente iguales dos diagramas de esfuerzo – deformación unitaria para un material particular, ya que los resultados dependen entre otras variables de la composición del material, de imperfecciones microscópicas, de la manera en que está fabricado, de la velocidad de carga y de la temperatura durante la prueba. Al respecto para conocer un poco más sobre el diagrama de esfuerzo deformación te invitamos a hacer clic en el siguiente botón: En este material encontraras información sobre equipos maquinarias, y servicios que algunas empresas brindan en el tema de pruebas para determinación de propiedades mecánicas mas comunes o de mayor importancia según su aplicación, así mismo podrás encontrar en www.tecnotest.it/pdfspa/spa_18.pdf la descripción técnica de diversos equipos que permiten realizar pruebas de tensión impacto compresión entre otros. En http://www.atrya.com.mx/ATRYAPlast/detalle.php?equipo=82 Encontraras un gama de equipos clasificados según su requerimiento además de información técnica adicional que te permitirá identificar los parámetros según norma utilizados. http://www.atrya.com.mx/ATRYAPlast/detalle.php?equipo=82 http://www.tecnotest.it/pdfspa/spa_18.pdf http://www.cyti.com.mx/Equipo_pruebas_destructivas.asp http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r56237.PDF 13 3.3 Propiedades obtenidas a partir de pruebas de tensión A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material. Fuente: http://www.ugr.es/~agcasco/personal/restauracion/teoria/TEMA05_files/image116.gif Esfuerzo de cedencia. EI esfuerzo de cadencia es el es fuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. En los metales, es por lo general el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen. EI esfuerzo de cedencia es, por tanto, el es fuerzo que divide los comportamientos elástico y plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforme plasticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o fabricar el componente de tamaño suficiente para que la fuerza aplicada produzca un esfuerzo que quede por debajo del es fuerzo de cedencia. En algunos materiales, el esfuerzo al cual el material cambia su comportamiento de elástico a plástico no se detecta fácilmente, En este caso, se determina un esfuerzo de cedencia convencional. Resistencia a la tensión EI esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta. Esta región localmente deformada se conoce como zona de estricción dadoque el área de la sección transversal en este punto se hace más pequeña, se requiere una fuerza menor para continuar su deformaci6n, y se reduce el esfuerzo ingenieril, calculado a partir del área original Ao La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia este encuellamiento o estricción en materiales ductiles. 14 Propiedades elásticas o modulo de Young, E, es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke: Este modulo esta íntimamente relacionado con la energía de enlace de los átomos. Una pendiente muy acentuada o abrupta en la grafica fuerza-distancia en la zona de equilibrio indica que se requieren de grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente. EI modulo es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto modulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica. EI modulo de resistencia (E,), que es el área que aparece bajo la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación, es la energía elástica que un material absorbe o libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectivamente. En el caso de un comportamiento elástico lineal: Ductilidad La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. EI % de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura: F ue nt e: h tt p :/ /w w w .u n ed ce rv er a. co m /c 39 00 03 8/ ci en ci a_ m at er ia le s/ en sa yo s_ 8. p n g 15 Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después del ensayo. EI % de reducción en área expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba: La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabricantes. EI diseñador de un componente preferirá un material que tenga por 10 menos cierta ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado resulta demasiado alto, el componente se deforme antes de romperse. Los fabricantes también prefieren un material dúctil, a fin de manufacturar formas complicadas sin que se rompa durante el proceso. Efecto de la temperatura, las propiedades a la tensión depende de la temperatura, el esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa. Un fabricante quizá desee deformar un material a una alta temperatura (lo que se llama en común trabajo en caliente) para aprovechar esa mayor ductilidad y los menores esfuerzos requeridos. Preguntas de análisis A continuación algunas preguntas que te harán deducir la importancia conocer las pruebas de tensión realizadas a los materiales de ingeniería al mismo tiempo que te permitirá ir descubriendo como debes realizar en el futuro una buena selección para el diseño de materiales de ingeniería en una aplicación particular. Previamente, debes leer con atención los artículos que te alcanzo en el los links de abajo. 1. ¿Cómo puedo saber que tan resistente es un material? 2. ¿Cuánta deformación se tendrá para determinar una carga? Al respecto para conocer un poco más sobre este tema, y dar respuesta a las preguntas planteadas a continuación te invitamos a hacer clic en el siguiente botón: En este apartado encontraras el manual paso a paso del protocolo del ensayo de tensión proporcionado por el laboratorio de producción de la facultad de ingeniería industrial de la escuela colombiana de ingeniería. Una descripción de la prensa hidráulica utilizada asi como los marcos teóricos y la descripción de las probetas utilizadas en los ensayos, las formulas y cálculos paso a paso empleados en la prueba de tensión. http://copernico.escuelaing.edu.co/lpinilla/www/prot ocols/MATE/PROTOCOLO%20TENSION.pdf F ue nt e: h tt p :/ /d at at ec a. u n ad .e d u .c o /c o n te n id o s/ 25 65 99 /2 56 59 9% 20 M at er ia le s% 2 0I n d u st ri al es /C u rv a_ es f_ d ef .J P G 16 3.4 Pruebas de flexión para materiales quebradizos Los materiales muy frágiles no soportan el ensayo de tracción y se fracturan al asegurarse a las abrazaderas. Muchas cerámicas frágiles también fallan a niveles muy bajos de deformación, provocando algo muy significativo en la más ligera desalineación en las abrazaderas. En tales casos se usa un ensayo de plegado o también llamado de flexión para revisar el comportamiento de deformación del material. La mayoría de ensayos de flexión involucran cargas en tres puntos aunque en algunos casos se usan ensayos con cuatro puntos En los materiales dúctiles, la curva esfuerzo – deformación ingenieril generalmente pasa por un valor máximo; este esfuerzo es la resistencia del material a la tensión. La falla ocurre a un esfuerzo menor después de que el encuellamiento ha reducido el área a la carga máxima, donde la resistencia a la tensión y la resistencia a la ruptura son las mismas. En materiales muy frágiles, influyendo muchos cerámicos, el esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el punto de ruptura tiene un mismo valor. En muchos materiales frágiles no se puede efectuar con la facilidad el ensayo de tensión debido a la presencia de defectos de superficie. A menudo, con solo colocar un material frágil la mordaza de la máquina de tensión este se rompe. Estos materiales se pueden probar utilizando en ensayo de flexión. Al aplicar la carga en tres puntos causando flexión, actúa una fuerza que provoca tensión sobre la superficie, opuesta al punto medio de la probeta. La fractura iniciara en este sitio. La resistencia la flexión, o modulo de ruptura describe la resistencia del material. (Newell, 2011,p 80) Debido a que durante la compresión la fisuras y los defectos tienden a mantenerse cerrados, frecuentemente los materiales frágiles se diseña de forma que sobre el componente solo actúen esfuerzos de compresión. A menudo, se tiene que los materiales frágiles fallan a esfuerzos de compresión mucho más altos que los de tensión. http://www.instron.com.ar/fileuniverse/live/images/Sitewide/Detail2_EN_12089_3_pt_flexture_test.jpg http://books.google.com.pe/books?id=2NWU9r8SYhQC&printsec=frontcover&dq=PROPIEDAD ES+MECANICAS+DE+LOS+MATERIALES+DE+INGENIERIA&hl=es&sa=X&ei=rUooU9DOM YfqkQeMnoHoDw&ved=0CC0Q6AEwAA#v=onepage&q&f=false Ejercicios resueltos paso a paso capitulo 5 pág. 75 17 3.5 Dureza de materiales El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración por un objeto duro. Se han inventado una diversidad de pruebas de dureza, pero las de uso más común son los ensayos Rockweell y Brinell. En el ensayo de dureza Brinell, que comúnmente utiliza una esfera de acero duro que por lo general de 10 mm de diámetro, el cual se oprime sobre la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión generada, comúnmente de 2 a 6 mm, y se calcula el número de dureza o índice de dureza Brinell (abreviado como HB y BHN) a partir de la ecuación siguiente: El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de diamante para materiales más duros. La profundidad de la penetración es medida automáticamente por el instrumente y se convierte a índice de dureza Rockwell (HR) se utilizan diversas variantes del ensayo Rockwell. La escala Rockwell C (HRC) se utiliza para aceros duros, en tanto que para medir la dureza del aluminio se selecciona la escala Rockwell F (HRF). (Newll, 2011,p 81)F ue nt e: h h tt p :/ /in g en ie ri a. se rg io rt el le z. n et /w p -c o n te n t/ u p lo ad s/ 20 10 /0 5/ en sa yo s. p n g 18 fuente: http://i43.tinypic.com/2ahfyth.jpg 19 Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza; producen penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición. Los índices de dureza principalmente con base de comparación de materiales; de sus especificaciones para la manufactura y tratamiento térmico, para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedades de los mismos. Se puede obtener un índice de dureza Brinell en uno cuantos minutos sin preparar ni destruir el componente; y obteniendo una buena aproximación de su resistencia a la tensión. La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se utiliza para fragmentar o para moler mineral debe ser muy duro para asegurarse de que no se desgastara o sufrirá abrasión debido a los duros materiales que maneja. De una manera similar los dientes de los engranes en la transmisión o en el sistema impulsor de un vehículo deberán ser los suficientemente duros para que no se desgasten. Generalmente se encuentra que los materiales poliméricos son excepcionalmente duros. fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1f/Knoop-and_Mohs-_scale.svg/300px-Knoop-and_Mohs- _scale.svg.png Te invito a revisar el artículo sobre propiedades mecánicas ingenieriles basado en la referencia de calister, william; engineering and science of materials. Edit Wiley an Sons 1998. Y Askeland, Donal; La ciencia e ingeniería de materiales Edit iberoamericana, 1990 F ue nt e: h h tt p :/ /3 .b p .b lo g sp o t. co m /_ n IX F I2 7B yg /S ig 3O H 4E az I/A A A A A A A A A B s/ q D jT 7d 2h G M A /s 40 0/ m in er ai s_ d u re za _p o rt o ed it o ra .p n g http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-861/Lecturas/LectP2M1.pdf Artículo sobre los ensayos de materiales de ingeniería 20 3.6 Prueba de impacto La dureza es análoga de la resistencia medida mediante la prueba de tensión. La energía de impacto es análoga a la tenacidad. La tenacidad se refiere a la resistencia de una material a un golpe y se mide a través del ensayo de impacto. Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un comportamiento más frágil comparando con el que se observa en el ensayo de tensión. El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo estas condiciones. Se han diseñado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo Charpy y el ensayo Izod. Este último generalmente se utiliza para materiales no metálicos. La probeta puede o no tener muesca; la que tiene muescas en V mide mejor la resistencia del material a la propagación de grietas. Prueba de Charpy para energía de impacto (tomado de H.W.Hayden,W.G.Moffat y J. Wulff, the structure and properties of materials, Nueva York, 1965) Recuperado:http://tic.besaba.com/1BATX_TECNOLOGIA/Unitat%206.%20Propietats%20i%20assaigs/Ensayo%20de%20resili encia_files/figura17.gif El principio del ensayo de Charpy es sencillo, la energía necesaria para fracturar la pieza, bajo la prueba se calcula directamente a partir de la diferencia de las alturas inicial y final del péndulo e oscilación. (shackelford,1995,p350) Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura determinada Ho, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final Hf menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo de Charpy la energía por lo general se expresa en libra-pie(lb.pie) o en joules (J) 21 donde 1 lb.pie = 1.356 J. los resultados del ensayo Izod se expresan en lb.pie/plg o J/m. la capacidad de un material para resistir cargas de imparto, a menudo se expresan en lb.pie/plg o J/m. La capacidad de un material para resistir cargas de impacto a menudo se conoce como tenacidad del material. Temperatura de transicion La temperatura de transición es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento ductil a un comportamiento frágil. Esta temperatura puede definirse como la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, a una energía absorbida especifica, 0 al tener ciertas características en la fractura. Sensibilidad a las muescas, las muescas causadas por un maquinado, fabricación o diseño defectuoso son concentradores de esfuerzo y reducen la tenacidad de los materiales. La sensibilidad a las muescas de un material puede evaluarse comparando las energías absorbidas por probetas con o sin muescas. Las energías absorbidas son mucho menores en probetas con muescas se dicho material es sensible a estas. El uso de las propiedades de impacto se basa en la energía absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo, con una elevada rapidez en la aplicación de la energía a la muestra se reduce la energía absorbida y se incrementa la temperatura de transición. El tamaño de las muestras también afecta a los resultados; debido a que es más difícil que se deforme una material con mayor espesor, se requiere de energías más pequeñas para romperlos. Finalmente la configuración de las muescas afecta el comportamiento; una grieta en la superficie permite la absorción de menos energía que una muesca en V en el material. Como a menudo no es posible predecir o controlar todas estas condiciones, el ensayo de impacto se utiliza para la comparación y selección de materiales. F ue nt e: tt p :/ /w w w .ju m p ym o vi l.c o m /m ed ia //p ro te ct o r- cr is ta l- te m p la d o -h i- fu tu re -j u m p ym o vi l- 5. jp g .p n g .jp g F ue nt e: h tt p :/ /w w w .d u g la ss .c o m /d o cu m en to s/ co n te n id o s/ im ag en es /a lt a - re si st en ci a_ fe rr o .jp g 22 3.7 Mecánica de la fractura En años recientes, se ha realizado esfuerzos sustanciales para cuantificar la naturaleza de las fallas del material, como el desastre del barco Liberty. El término mecánica de las fracturas significa el análisis general de la falla de materiales estructurales con defectos preexistentes. Este es n amplio campo, centro de muchas investigaciones activas. Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/TankerSchenectady.jpg La mecánica de la fractura es la disciplina que se enfoca al estudio del comportamiento de materiales con fisuras u otros pequeños defectos. Es cierto que todos los materiales tienen algunos defectos. Lo que se desea saber es el esfuerzo máximo que puede soportar un material, si contiene defectos de un cierto tamaño y geometría. La tenacidad a la fractura mide la capacidad de un material que contiene un defecto, a resistir una carga aplicada. A diferencia de los resultados del ensayo de impacto, la tenacidad a la fractura es una propiedad cuantitativa del material. Un ensayo típico de tenacidad a la fractura se realiza aplicando un esfuerzo a la tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos. El esfuerzo aplicado al material se intensifica por el defecto, el cual actúa como un concentrador de esfuerzos. Para un ensayo simple, el factor de intensidad de esfuerzo K es AI efectuar una prueba sobre una porci6n de material con un defecto de tamaño conocido, se puede determinar el valor de K que hace que dicho defecto crezca y cause la falla. Estefactor de intensidad de esfuerzo crítico se define como la tenacidad a la fractura K, Requerido para que una grieta se propague La mecánica de la fractura permite diseñar y seleccionar materiales y al mismo tiempo tomar en consideración la inevitable presencia de defectos. Se deben considerar tres variables: la propiedad del material, el esfuerzo que debe resistir el material y el tamaño del defecto, si se conocen dos de estas variables, se puede determinar la tercera. 23 Para la selección de un material, si se conoce el tamaño máximo de los defectos en el material y la magnitud del esfuerzo aplicado, se puede seleccionar un material que tenga una tenacidad a la fractura lo suficientemente grande ára que impida que el efecto crezca. Para el diseño de un componente se debe conocer el tamaño de los defectos y ya se ha seleccionado el material se puede calcular el esfuerzo máximo que logra resistir el componente. A partir de ahí es posible diseñar el tamaño apropiado de la pieza para asegurarse de que no se exceda el esfuerzo máximo. Para el diseño de un método de manufactura o de ensayo el material ha sido seleccionado, se conoce el esfuerzo aplicado y está determinado el tamaño del componente, se puede calcular el tamaño máximo permisible de los defectos. Una técnica de ensayo no destructivo que detecte cualquier defecto mayor de este tamaño crítico, puede ayudar a asegurarse de que la pieza funcionara con seguridad. Además, al seleccionar le proceso de manufactura correcto, se puede lograr que los defectos resulten más pequeños que el tamaño critico. 3.8 Fatiga – Resultados de prueba de fatiga Te invito a visitar el siguientes link de video en donde podrás visualizar las pruebas de fatiga realizada a una reconocida marca de bicicletas y responde a las preguntas ¿con que interés se realiza la prueba observada? ¿Cuál es su importancia?. F ue nt e: ht tp :// 1. bp .b lo gs po t.c om /- L9 9s 0m cd bJ I/U E zL Q kx px 9I /A A A A A A A A D 2Y /X hD F U 73 Z bP U /s 16 00 /1 9. jp g http://ultimatebikeblog.blogspot.com/2012/06/canyon-bike-test-lab-tour.html 24 A menudo un componente está sujeto a la aplicación cíclica de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia del material. Este esfuerzo cíclico puede ocurrir como resultado de rotación, flexión o vibración. Aun cuando el esfuerzo este por debajo del límite elástico, el material puede fallar después de numerosas aplicaciones de dicho esfuerzo. Este tipo de falla se conoce como fatiga. Las fallas por fatiga usualmente ocurren en tres etapas: primero se inicia una grieta minúscula, sobre la superficie, generalmente tiempo después de haberse aplicado la carga. A continuación, la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue en su alternancia. Finalmente cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material. Un método común para medir la resistencia a la fatiga de un material es el ensayo de la viga en voladizo rotatoria. Uno de los extremos de la probeta cilíndrica maquinada se sujeta al eje de un motor. En el extremo opuesto se suspende en peso. Inicialmente la probeta tiene una fuerza de tensión actuando sobre la superficie superior, en tanto que la superficie inferior está sometida a compresión. Cuando la probeta gira 90° los puntos que originalmente estaban bajo tensión y compresión no están sujetos a esfuerzo alguno. Después de una media revolución de 180°, el material pasa a través de un ciclo senoidal completo desde un esfuerzo máximo a tensión, hasta un esfuerzo máximo de compresión. El esfuerzo máximo que actúa es ese tipo de probeta esta dado por: http://dc393.4shared.com/doc/2i1dQq7d/preview_html_67340a1f.gif 25 Después de un número suficiente de ciclos, la probeta puede fallar. Generalmente, se prueba una serie de muestras a diferentes esfuerzos. Los resultados se presentan graficando el esfuerzo en función del número de ciclos para la falla El ensayo de fatiga dice el tiempo o número de ciclos que resistirá una pieza, o la carga máxima permisible que puede aplicar prevenir la falla del componente. El esfuerzo límite para fatiga definido como el esfuerzo por debajo de la cual existe una probabilidad de 50 % de que ocurrirá por fatiga, es el criterio de diseño preferido. Para evitar que falle una pieza de acero grado herramienta, se debe asegurar que el esfuerzo aplicado este por debajo de 60000 psi. La vida a fatiga indica cuanto resiste un componente a un esfuerzo en particular. Por ejemplo, si el acero grado herramienta se somete en forma cíclica a un esfuerzo de 90 000 psi, la vida a fatiga será de 100 000 ciclos. La resistencia a la fatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá fatiga en un numero particular de ciclos como 500 000 000. La resistencia ala fatiga es necesaria al diseñar con materiales como el aluminio y los polímeros ya que estos no tienen un esfuerzo límite para fatiga. 3.9 Termofluencia , ruptura por esfuerzo y corrosión por esfuerzo Si se aplica un esfuerzo a un material que esta a una temperatura elevada, este puede estirarse y finalmente fallar, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que el esfuerzo de cedencia a dicha temperatura. La deformación plástica a alta temperatura se conoce como termofluencia. F ue nt e: h ttp :// w w w .m et al in sp ec la bo ra to rio s. co m .m x/ ap ps /s ite /fi le s/ cr ee p. jp g 26 Para determinar el comportamiento de una material, se utiliza el ensayo de termofluencia en el cual se aplica un esfuerzo constante a una probeta calentada a alta temperatura. En cuanto se aplica el esfuerzo, la probeta se deforma elásticamente una cantidad que depende del esfuerzo aplicado y del módulo de elasticidad del material a esta temperatura. El tiempo de ruptura durante el ensayo de termofluencia, la deformacion o elongación se mide en función del tiempo y se grafica a fin de obtener la curva de termofluencia. Enla primera etapa de termofluencia de los metales, muchas dislocaciones ascienden venciendo obstáculos, se deslizan y contribuyen a la deformacion. Finalmente, la rapidez ala cual las dislocaciones esquivan obstáculos es igual ala velocidad a la cual la dislocaciones son bloqueadas por otras imperfecciones. Esto lleva a una segunda etapa, de termofluencia es estado estable. La pendiente de ls porción estable dela curva de termofluencia es la rapidez de termofluencia: Finalmente durante la tercera etapa de la termofluencia empieza el encuellamiento, el esfuerzo se incrementa y la muestra se deforma a una rapidez acelerada, hasta que ocurre la falla. El tiempo que se requiere para que esto ocurra es el tiempo de ruptura. Curva típica de fluencia de un metal o aleación Fuente: http://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/2012/02/2012-02-22-capitulo-3-propiedades-mecanicas.pdf 27 Luego de revisar las pruebas que se realizan a los materiales para determinar sus propiedades mecánicas te invito a visitar los siguientes link de video en donde podrás visualizar las pruebas que complementaran lo estudiado. Además puedes visitar Observa y escucha detenidamente el video. Es necesario conocer los principales ensayos que se aplican a los materiales de ingeniería, conocerlos no sólo te capacitará para recomendar el uso de los materiales sino también te hará reflexionar sobre las nuevas aplicaciones de los materiales para satisfacer las necesidades del hombre, y URL del video: https://www.youtube.com/watch?v=UU7wTeJIZdY Video URL del video: https://www.youtube.com/watch?v=9XXXZRGGlfo eo 28 como futuro ingeniero industrial te abrirá un abanico de diferentesposibilidades de generación de empresas de producción o de venta de materiales de ingeniería. Actividad de análisis y comprensión Después de haber observado detenidamente el video responde a las siguientes preguntas: 1. ¿Qué ensayo no pertenece a las propiedades mecánicas de los materiales? Alternativas Explicar ¿Por qué si? o ¿Por qué no? a. Tensión b. Compresión c. Flexión d. Conductividad e. Corte 2. ¿Cuáles son los pasos para un ensayo de flexión? Alternativas Explicar ¿Por qué si? o ¿Por qué no? a. Pesar la viga b. Ubicar el centro de la viga c. Ubicar el punto de carga d. Marcar donde se va a golpear e. Ubicar el punto de apoyo 3. ¿en qué ensayo de las propiedades mecánicas la falla se da por pandeo? Alternativas a. Tensión b. Compresión c. Flexión d. Torsión e. Termofluencia Referencias (bibliográficas) Askeland D.R.; Fulay P.P.; Wright W.J.; 2011. Ciencia e Ingeniería de materiales. México: CENCAGE Learning. México. Barceinas S.J.; Juarez H. A.; 2012. Ciencia e Ingeniería de los Materiales- Capitulo 1: Materiales en Ingeniería. Hibberler R.C. 2006. Mecánica de los materiales, Ed.Pearson Education. Publicada Prentice Hall INC. Meyers, A. M., Krishau Kumar, Chawla; 1998. Mechanical Metallurgy: Principles and Applications . Prentice – Hall. Salas G.; Noguez M.E.; Ramírez J.; Robert T.; 2000. El hundimiento del Titanic visto a través de la ciencia y la ingeniería de los materiales. Profesores al Día, Educación Química, 11 [1], 193-201. Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de Química UNAM 29 Lecturas recomendadas (para ampliar conocimientos de la tercera semana) Para saber más Ponemos a tu disposición y te invitamos a revisar dos interesantes documentos que te ayudaran a reforzar y ampliar los temas que hemos estudiado, estos los encontrarás en la base de datos e-libros que utiliza nuestra universidad: ✓ Documento 1:Capítulo 4 de Ciencia de los materiales URL: http://site.ebrary.com/lib/bibsipansp/docDetail.action?docID=10075903&ppg=8&p00=ciencia%20de%20los%20materiales Breve descripción: Esta producción bibliográfica la encontrarás en la base de datos e-libro. En estos capítulos se los ensayos y las propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería, los problemas que impactan en la selección de los materiales y el diseño, las clases de materiales, así mismo detalla el uso de diagramas de esfuerzo y deformación. ✓ Documento 2: Capítulo 3 de Ciencia de materiales aplicaciones en ingeniería URL: http://site.ebrary.com/lib/bibsipansp/docDetail.action?docID=10740901&p00=ciencia%20de%20los%20materiales Breve descripción: Esta producción bibliográfica la encontrarás en la base de datos e-libro. Como se miden las propiedades mecánicas de los materiales, como se miden y que indican, porque los materiales fallan bajo tensión como cambian las propiedades con el paso del tiempo. También puedes ampliar tus conocimientos leyendo: REVISTA on line de ingeniería de materiales (diseño, procesos e i+d): http://www.ingenieriademateriales.com/ Portal de curso fundamentos de ciencia de materiales http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/fcm2_2.html Conclusiones de la tercera semana El objetivo de estudiar las propiedades mecánicas de los materiales es controlar y asegurar la calidad de los materiales para un uso específico para el diseño y el proceso de fabricación, así también determinar las características de nuevos materiales antes de que puedan ser utilizados de manera confiable. Las propiedades mecánicas de un material reflejan la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material o sea su deformación, estas respuestas dependen de tres factores, el enlace, la disposición de los átomos o moléculas y el tipo y numero de imperfecciones. Que tanto el científico como el ingeniero de materiales debe: comprender las propiedades asociadas a las clases de materiales; saber que existen tales propiedades y como se deben de evaluar, utilizando los protocolos o normas de ensayos estandarizados. Metacognición (de la tercera semana) Las siguientes preguntas te ayudarán a reflexionar sobre tus propios aprendizajes, es un ejerció recomendado para razonar e identificar nuestro esfuerzo intelectual, la finalidad es regular nuestras acciones y procesos mentales ¿De la temática abordada que te llamó más la atención? ¿Consideras que aprendiste con los contenidos abordados? ¿Tuviste dificultad con algún tema o actividad? ¿Cómo los solucionaste? ¿Qué acciones realizaste para aprender? http://www.ingenieriademateriales.com/
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