Modos De Fractura

PROPIEDADES DE DISEÑO DE LOS MATERIALES

OBJETIVOS DE ESTE CAPÍTULO

El estudio de la resistencia de materiales requiere conocimiento de la forma en que las fuerzas y momentos externos afectan los esfuerzos y deformaciones que se desarrollan en el material de un miembro que soporta carga. Sin embargo, con el fin de dar a estos conocimientos un uso práctico, el diseñador necesita saber cuántas deformaciones y esfuerzos puede resistir el material de manera segura. De este modo, las propiedades de los materiales, en lo que se refiere al diseño, deben comprenderse junto con el análisis requerido para determinar la magnitud de los esfuerzos y deformaciones.

Presentaremos información concerniente a los materiales que se utilizan con mayor frecuencia en la fabricación de componentes de estructuras y dispositivos mecánicos, poniendo más énfasis en las propiedades de diseño de los materiales que en su estructura metalúrgica o composición química.

Se presentaran los metales, los materiales más ampliamente utilizados en el diseño de la ingeniería. Se describen las importantes propiedades de los metales, junto con las características especiales de varios metales distintos.

Entre los no metales que se presentaran se incluye: madera, concreto, plásticos y los materiales compuestos, y se expone la forma en que el comportamiento de estos materiales difiere de los metales, junto con algunas de sus propiedades características.

METALES EN EL DISEÑO MECÁNICO

Los metales, por lo general, se utilizan para miembros que soportan cargas en edificios, puentes, máquinas y una amplia variedad de productos para el consumidor. Las vigas y columnas en los edificios comerciales están hechas de acero estructural o aluminio. En automóviles, se utiliza un gran número de aceros, entre los que se incluye lámina de acero al carbono para paneles de carrocería, aleaciones de corte libre para piezas maquinadas, y aleaciones de alta resistencia para engranes y piezas sometidas a cargas excesivas. El hierro colado se utiliza en bloques de motores, tambores de frenos y cabezas de cilindros. Las herramientas, resortes y otras piezas que requieren de una alta dureza y resistencia al desgaste están hechas de aleaciones de acero que contienen una gran cantidad de carbono. Los aceros inoxidables se utilizan en equipo de transporte, productos para plantas químicas y equipos de cocina donde se requiere resistencia a la corrosión.

El aluminio tiene muchas de las aplicaciones del acero; se utiliza en muchos productos arquitectónicos y bastidores para equipo móvil. Su resistencia a la corrosión permite que se utilice en tanques de almacenaje químico, utensilios de cocina, equipo marino y productos como postes indicadores para carretera, los pistones para automóviles, molduras y cuerpos de bombas y alternadores son de aluminio.

El cobre y sus aleaciones, tales como el latón y el bronce, se utilizan en conductores eléctricos, intercambiadores de calor, resortes, bujes, herrajes marinos y piezas para interruptores. Con frecuencia se utiliza el magnesio en piezas para camiones, ruedas y piezas de enseres para el hogar. El zinc tiene usos similares.

La selección de materiales requiere considerar muchos factores. Por lo general, deben evaluarse la resistencia, rigidez, ductilidad, peso, resistencia a la corrosión, capacidad de maquinado, facilidad para trabajarse, soldabilidad, aspecto, costo y disponibilidad. En lo que se refiere al estudio de la resistencia de materiales, los primeros tres factores son los más importantes; resistencia, rigidez y ductilidad.

RESISTENCIA

Los datos de referencia que listan las propiedades mecánicas de los metales casi siempre incluirán la resistencia última a la tensión y la resistencia a la cedencia del metal. La comparación entre los esfuerzos reales en una pieza, con la resistencia última a la tensión o la resistencia a la cedencia del material del que ésta hecha la pieza, es el método usual para evaluar lo apropiado que puede ser un material para soportar con seguridad las cargas aplicadas.

La resistencia última a la tensión y la resistencia a la cedencia se determinan al probar una muestra del material en una máquina de prueba de tensión, sobre la mordaza se aplica una barra o tira plana, se aplica lenta y uniformemente una fuerza de tensión a la muestra hasta que se rompa. Durante la prueba se hace una gráfica que muestra la relación entre el esfuerzo en la muestra y la deformación unitaria.

La gráfica del esfuerzo contra la deformación es una línea recta, lo que indica que el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación, en un punto en el diagrama, la curva deja de ser recta y ese punto se conoce como límite proporcional. Conforme se incrementa la carga en la muestra se llega a un punto que se conoce como límite elástico. A esfuerzos menores de este punto el material recobrará su tamaño y forma originales si se elimina la carga. A mayores esfuerzos, el material queda permanentemente deformado. El punto de cedencia es el esfuerzo en el que ocurre un alargamiento notorio sin un incremento aparente en la carga.

En la mayoría de los metales forjados, el comportamiento de los materiales a compresión es similar a los materiales que están a tensión y por eso, generalmente, no se realizan pruebas separadas de compresión. Sin embargo, en materiales colados y no homogéneos como la madera y el concreto, hay grandes diferencias entre las propiedades a tensión y compresión, y deben realizarse pruebas de compresión.

RIGIDEZ

La rigidez del material es una función de su módulo de elasticidad, también conocido como módulo de Young, determinado por la pendiente de la porción recta de la curva esfuerzo-deformación

.

Un material con pendiente más pronunciada en su curva de esfuerzo-deformación será más rígido y se deformara menos bajo una carga que un material con pendiente menos pronunciada.

Si dos piezas estuvieran hechas de acero y aluminio, respectivamente la pieza de aluminio se deformaría tres veces más al verse sometida a la misma carga.

LEY DE HOOKE

Cuando el nivel de esfuerzo en un material sometido a carga es menor que el limite proporcional y existe una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación, se cumple la ley de Hooke.

DUCTIBIILDAD

Cuando los metales se rompen, su fractura puede clasificarse como:

Se prefieren los materiales dúctiles para piezas que soportan cargas repetidas o que se someten a carga de impacto, debido a que son más resistentes a la fractura por fatiga, y absorben mejor la energía del impacto.

¿COMO SE MIDE LA DUCTIBILIDAD EN LOS METALES?

Generalmente durante la prueba de tensión observando cómo se ha alargado permanentemente el material luego de fracturarse.

Se considera un metal dúctil si su porcentaje de alargamiento es mayor del 5%. En la mayoría de las aplicaciones de diseño estructural y mecánico es deseable el comportamiento dúctil y el porcentaje de alargamiento mayor a un 5%.

Todas las formas forjadas de aleaciones de acero y aluminio son dúctiles. Pero las formas de alta resistencia tienden a tener una menor ductilidad.

MODOS DE FRACTURA

Un elemento de maquina se dice que ha fallado cuando:

Se rompe

El material se deforma plásticamente

Ocurre una deformación elástica excesiva que hace que el miembro ya no sea adecuado para su uso propuesto

La deformación del material antes de que ceda depende de su rigidez, indicada por el módulo de elasticidad. No hay normas absolutas en relación con el nivel de deformación que podría producir una fractura. Se debe de juzgar con base en el uso de la estructura o la máquina.

CLASIFICACIÓN DE LOS METALES Y LAS ALEACIONES

Existen asociaciones industriales encargadas de establecer normas para clasificar metales y aleaciones. Cada una establece su propio sistema de numeración, según el metal regido por la norma.

Se introdujo un orden en la clasificación de metales mediante el uso del Sistema de Numeración Unificado (SNU) definida en la Norma E 527-74 por la American Society for Testing and Materials (ASTM).

La SNU también coordina designaciones de:

The Aluminum Association (AA)

American Iron and Steel Institute (AISI)

Copper Development Association (CDA)

Society of Automotive Engineers (SAE)

ACERO

El término acero se refiere a aleaciones de hierro y carbono y, en muchos casos, otros elementos. Existen una gran cantidad de aceros pero veremos unas cuántas clasificaciones: aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables y aceros estructurales.

Los aceros al carbono y en los aceros aleados, se utiliza el código de designación de 4 dígitos para definir cada aleación. Los primeros dos dígitos en una designación de cuatro dígitos para el acero denotará los principales elementos de la aleación, además del carbono, presentes en el acero. Los últimos dos dígitos se refieren al porcentaje medio de carbono en el acero. Por ejemplo, si los últimos dos dígitos son 40, el acero tendrá aproximadamente 0.4% de contenido de carbono. El carbono es muy importante en la designación de la aleación porque entre mayor sea el contenido de carbono, también incrementará la resistencia y dureza del acero.

ACEROS AL CARBONO

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de

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