PROPIEDADES MECÁNICAS

DÉCIMO “A”

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICACARRERA INGENIERIA CIVIL

COMPUTACIÓN APLICADA

INTEGRANTES:

JHOANA CRISTINA TORO MORENO

JOSÉ LUIS ROBALINO LARA

Definición Antecedentes de ensayos

mecánicos de materiales Tipos de propiedades mecánicas

comunes Análisis de fallas

MECHANICAL PROPERTIES (PROPIEDADES MECÁNICAS)

• Propiedades que tienen que ver con el comportamiento de los materiales bajo cargas.

Definición:

Objetivo.- Determinación de la respuesta de los materiales a la aplicación de una fuerza.

(Avg. Stress) Esfuerzo promedio =carga/área tensionada.

TESTING OF MATERIALS (ENSAYO DE MATERIALES)

• Esfuerzo de Tensión: Tiende a separar a un miembro aparte.

• Esfuerzo de Compresión: Tiende a aplastar a un cuerpo.

• Esfuerzo cortante: Tiende a dividir a un miembro.

• Esfuerzo torsional: tiende a torcer un miembro.

• Esfuerzo de Flexión: Tiende a curvar un miembro.

UTM es usado para medir las respuestas de los materiales a los tres esfuerzos principales (Tensión, Compresión, Corte)

UNIVERSAL TESTING MACHINE MÁQUINA UNIVERSAL DE ENSAYO

(UTM)

Carga/ (Área de esfuerzo original) --------------------->EsfuerzoDeformación/ (Longitud original) --------------------->Deformación

STRESS/STRAIN DIAGRAMDIAGRAMA ESFUERZO/DEFORMACIÓN

Geometría-Dependiente Geometría-IndependienteDiagrama ---------------------> Diagrama

Elasticidad: Habilidad de los materiales para regresar a su forma original al ser descargados.

Plasticidad: Habilidad de los materiales que pasa por una deformación permanente sin fractura.

TIPOS  DE  PROPIEDADES MEC ÁNICAS MÁS  COMUNES Propiedades derivadas del

diagrama esfuerzo/deformación Resistencia al impacto Dureza Fatiga Flujo plástico Esfuerzo de Rotura

Resistencia Rigidez Ductilidad Módulo de resiliencia Módulo de tenacidad

Esfuerzo máximo resistente de un material al resistir cambios en su forma, y es igual a Carga máxima/ Área de esfuerzo original

a. ULTIMATE STRENGTH (RESISTENCIA ÚLTIMA)

• Resistencia a la tracción (Aleación metálica (Aceros), Compuestos (FRP(Fibra Plástica reforzada)))

• Resistencia a la compresión (Hierros fundidos, T.S. Polímeros, Cerámicas).

• Resistencia al corte = 40% de la resistencia a la tracción.• Resistencia Especifica = resistencia a la tracción/densidad.

El punto de fluencia es el esfuerzo que corresponde al punto de inicio a la deformación plástica. Este punto en algunos materiales del diagrama esfuerzo-deformación está indicado por una pequeña región plana. El esfuerzo permitido (seguro), debe estar muy por debajo de este punto.

b. YIELD POINT STRESS/YIELD STRENGTH

(PUNTO DE FLUENCIA/LÍMITE ELÁSTICO)

Dicho punto se determina mediante el método de desplazamiento (el punto de intersección de la curva y una línea dibujada desde el punto 0.2%, paralelo a la pendiente), y el esfuerzo asociado se denomina límite elástico.

STIFFNESS  ( RIGIDEZ)Es la resistencia del material debido a la deformación elástica, y se determina por el módulo de elasticidad del material (E) o Módulo de Young.

Módulo de elasticidad del material se mide por la pendiente de la parte lineal de la curva, como se muestra en la figura.

Cuanto mayor sea la pendiente (o E), el más material es más rígido.

Cerámicas (SiC: Carburo de silicio), aleaciones metálicas (aceros) y compuestos (Gr./Epoxy es una mezcla única de resinas epóxicas de alta resistencia) se caracterizan por tener una alta rigidez

rigidez específica = límite de rotura del material / densidad

Es una propiedad que mide la de elasticidad de un material.

DUCTILITY (DUCTILIDAD)

Se calcula por una de las siguientes 3 fórmulas:

%Ductilidad = tensión a la fractura * 100

% Elongación = cambio en la longitud/longitud inicial

% Reducción en Area = cambio en la longitud/longitud inicial

Las aleaciones forjadas son dúctiles y polímeros tienen una alta ductilidad.

Cerámicas y aleaciones fundidas son frágiles y tienen poca o 0% ductilidad. Cuando se realiza la selección de materiales para los procesos de fabricación tales como doblado en frío, forjado, y extrusión debe basarse en esta propiedad (esto es del 30%-50% de ductilidad).

Máxima cantidad de energía elástica por unidad de volumen que un material puede absorber, a baja velocidad de deformación, y se mide por el área bajo la parte lineal de la curva tensión / deformación, como se muestra en la figura.

Resiliencia es una propiedad inversamente proporcional al módulo de elasticidad, mientras menor es el módulo, más resistente es el material. Esta propiedad es directamente proporcional a la resistencia a la fluencia del material.

Selección de materiales para componentes como resortes laminados, clock spring, hojas de cuchillos, palos de golf, partes de las máquinas en caso de impactos a baja velocidad, etc. se debe basar en esta propiedad.

TOUGHNESS (TENACIDAD)

Máxima cantidad de energía plástica por unidad de volumen que un material puede absorber, para producir fractura, a baja velocidad de deformación, y se mide por el área total bajo la curva de tensión / deformación, tal como se muestra en la figura:

La tenacidad es también una medida relativa de la capacidad de absorción de energía de materiales bajo cargas de impacto (fuerza de alta velocidad), ya que en la prueba de impacto la energía absorbida por las muestras son medidas hasta que se fracturan. La fuerza asociada se conoce como resistencia al impacto.

Materiales dúctiles (como la mayoría de los metales y polímeros) tienen una buena tenacidad y resistencia al impacto. Los materiales frágiles como la cerámica y aleaciones fundidas tienen tenacidad insignificante.

El ensayador de impacto (tipo péndulo) utiliza cualquiera de los dos probetas estándar muescadas, la probeta Charpy (horizontal en forma de viga I) o la Izod (viga en voladizo vertical) para medir la energía requerida (ft.lb) para fracturar la probeta.

Otra manera de ensayar muestras por impacto es con la prueba de caída de peso.

Medidas de las probetas a ensayarse:a= 2,165” 55 mm≃ R= 0,01” 0,25 mm≃b= 0,394” 10 mm≃ α= 45°c= 0,394” 10 mm≃d= 0,315” 8 mm≃

La temperatura de transición o temperatura de ductilidad nula, es una temperatura en virtud de la cual, el material dúctil se vuelve frágil. Bajo esta temperatura, la dureza disminuye. En la selección de materiales para una aplicación de baja temperatura, para evitar la disminución de tenacidad, la temperatura de transición del material seleccionado debe ser inferior a la temperatura de aplicación o real.

Selección de Materiales

Se toman en cuenta dos materiales:a. acero de bajo carbonob. aluminio de la misma resistencia a la fluencia que el acero

Seleccionar un tipo de material para realizar el ensayo del impacto en la máquina para las siguientes aplicaciones:

I) Al realizar el impacto en la máquina, la probeta permanece intacta después de un impacto de baja velocidad.

II) Un mejor equipo de protección en caso de colisión de alta velocidad.

APLICACIÓN I

1. Absorción de energía elástica2. Módulo de resiliencia3. Seleccionar el esfuerzo con el que se genera el más alto Módulo

de resiliencia4. Seleccionar el esfuerzo con el que se da el más bajo E.5. Seleccionar aluminio (ESt=3EAl)

APLICACIÓN II

1. Absorción de energía plástica2. Módulo de tenacidad3. Seleccionar el esfuerzo con el que se da el más alto Módulo de

tenacidad.4. Seleccionar el esfuerzo con el que se genera el más bajo % el.5. Seleccionar acero (St%el=3Al%el)

La resistencia de la superficie del material contra las hendiduras y arañazos.

• La superficie -. La dureza sirve como un factor en la selección de un material para aplicaciones de contacto deslizante, tales como engranajes, frenos y embragues, rodamientos de bolas / rodillos, etc.

• Esta propiedad está especificada en los planos de ingeniería para fabricación o tratamiento térmico.

• Las aleaciones metálicas -. Tienen buena dureza, aleaciones de fundición y cerámica son materiales muy duros.

HARDNESS (DUREZA)

• El tipo más común de medición (destructiva) se basa en la calibración ya sea la profundidad (Rockwell, Rockwell superficial) o el diámetro (Brinell, Vickers, Knoop) de impresión dejada de obligar a un penetrador en la superficie del material. Otras medidas (no destructiva) son dependientes de la frecuencia natural (ondas acústicas), la altura de la propiedad de rebote (borde) de los materiales.

Especificación de número de dureza: XXX H X X

XXX H X X

Dureza # código Método Escala Rockwell

Penetrador

Carga Aplicación Método

Diamante 1g a 2000 g Microdureza de los aceros suaves a la cerámica.

Vickers, Knoop

Bola 500 y 3000 Kg Aceros y metales blandos hasta 40 HRC

Brinell

Bola 100 Kg Aceros suaves y metales no ferrosos

Rockwell

Bola 15, 30 y 45 Kg Metales blandos finos Rockwell superficial

Diamante 15, 30 y 45 Kg Chapas metálicas delgadas duras

Rockwell superficial

Diamante 50 Kg Carburos cementados Rockwell

Bola 10 Kg Polímeros Rockwell, Vickers

Aguja Resorte Elastómeros Shore

Diamante 150 Kg Metales endurecidos (espesor)

Rockwell

• 50 -60 HRC significa: un valor de dureza de 50 a 60 utilizando la escala Rockwell C.

• 85 HR15T significa: un valor de dureza máxima de 85 utilizando el Rockwell Superficial,

• 185-2401kgF HV significa: un valor de dureza de 185 a 240 con el probador de dureza Vickers y una carga de prueba de 1 kilogramo-fuerza.

• 500200gF HK min. significa: un valor de dureza mínima de 500 con el medidor de dureza Knoop y una carga de prueba de 200 gramos-fuerza.

EJEMPLOS:

Los materiales fallan debido a una tensión alterna repetida (muy por debajo de la resistencia a la fluencia) se denomina falla por fatiga.

• La falla por fatiga se producen después de una serie de ciclos (vida) de las tensiones.

• La resistencia a la fatiga es un factor importante en el proceso de selección de materiales para aplicaciones de carga cíclica.

FATIGUE (FATIGA)

• Un eje de rotación bajo una carga transversal se utiliza para determinar la capacidad de un material para resistir tensiones cíclicas. Un punto de la superficie a través de puntos de entrada una inversión completa de la tensión a la compresión con cada rotación. La fuerza (S) y el número de ciclos (N) en las que el componente no se registran. S y N son compilados para diferentes condiciones de carga, y se utilizan para la construcción del diagrama de fatiga S-N.

• El límite de resistencia es una resistencia a la fatiga en las que el componente tiene vida indefinida, como se muestra en la figura.

• La resistencia a la fatiga de los metales de ingeniería son aproximadamente el 50% de su resistencia a la tracción, la cerámica no se utilizan en la carga cíclica, materiales poliméricos y materiales compuestos son muy sujetos a la fatiga.

CREEP  ( FLUJO  PLÁSTICO )Es un proceso lento de la deformación plástica que se produce cuando un material está sometido a una carga constante (esfuerzo) por debajo del límite elástico en cierto período de tiempo.

La mayoría de los metales sólo se deforman cuando están sometidos a una temperatura elevada (0,5 de su temperatura de fusión absoluta).

El flujo plástico puede ser un factor importante de selección con metales de baja temperatura de fusión y polímeros.

El ensayo del flujo plástico se lleva a cabo simplemente sometiendo a tracción a una probeta bajo una carga constante. La deformación es medida en un periodo de tiempo.

La deformación plástica se produce en 3 etapas; decreciente, en estado estacionario, y el aumento de valores, como se muestra en la figura.

Resistencia   del  Flujo   pl á stico

Es el esfuerzo requerido para causar una promedio de valores especificados del flujo plástico en una temperatura dada. Los valores más comunes son 1% elongación/10,000 hr, y 1% elongación/100,000 hr

 STRESS  RUPTURE  ( ESFUERZO  DE  ROTURA )Es similar al ensayo de flujo plástico se determina el esfuerzo en la que una parte fallará bajo una carga constante a temperatura elevada, sin embargo es diferente de dos maneras:

1) Las variables controladas son el esfuerzo y la temperatura, y 2) la variable medida es el tiempo requerido para la rotura.

Esta prueba tiene la ventaja porque requiere menor tiempo para realizar el ensayo. El ensayo esfuerzo de rotura es importante para metales y cerámica ya que son destinados a un servicio de alta temperatura. Esta prueba no se realiza normalmente en polímeros.

  FAILURE  ANALYSIS  ( ANÁLISIS  DE  FALLAS)

CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS

Si un miembro bajo una carga contiene una ranura, agujero, cualquier irregularidad en la geometría, el esfuerzo inducido en el área de la ranura del elemento se ampliará por un factor de concentración de esfuerzos:

Smax=Kf*S

Donde: Kf, es el factor de concentración de esfuerzos y aparece en las tablas de diferentes irregularidades en la geometría bajo diferentes condiciones de carga (es decir, la tensión, flexión, torsión).

S, es el esfuerzo en el elemento sin ninguna irregularidad en la geometría (es decir, Carga/Área).

Smax, es el esfuerzo local en la zona de concentración de esfuerzos.