Parcial II Seleccion de Materiales

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

FORMATO DE PRESENTACIÓN DE PROYECTOS DE

INVESTIGACIÓN EN MENOR CUANTIA

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE MATERIALES

PARCIAL II

INTEGRANTES:

JESUS DAVID RHENALS JULIO

FRANCISCO ANTONIO VIDAL CARLO

MARCO ANDRES VIOLET LOZANO

PROFESOR:

VICTOR A. NOVA

UNIVERSIDAD DE CORDOBA

FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA MECANICA




EJERCICIO Nº 1

Para la selección de materiales dependiendo el perfil de materiales, proceso y

ambiental se debe tener bien claro las condiciones a las que va a trabajar, que tipo de

carga en caso que del material se vaya a obtener una geometría diferente a la inicial se

debe establecer mediante qué proceso de manufactura; en general se deben definir las

condiciones a las que se va a trabajar el material y las características que este deba

poseer, estas características y condiciones generalmente se obtienen de cálculos de

diseño, consideraciones y restricciones de diseño e incluso simple análisis de

ingeniería.

PERFIL DE

PROPIEDADES

PROPIEDADES

FISICAS

Propiedades

eléctricas

Conductividad

eléctrica

Propiedades mecánicas

Elasticidad plasticidad

Tenacidad fragilidad

Maleabilidad y ductilidad

dureza

Propiedades

térmicas

Conductividad

térmica

Propiedades

ópticas

Materiales opacos, translucidos y transparentes

Propiedades

acústicas

Conductividad

acústica

Propiedades magnéticas

Magnetismo

PROPIEDADES

QUIMICAS

Oxidación




PERFIL DE PROPIEDADES AMBIENTALES

PROPIEDADES ECOLOGICAS

Reciclables

Vidrio

Papel

Plástico

Tóxicos

Plomo

Biodegradables

PERFIL DE PROCESOS

PROCESABILIDAD

Metales

Polímeros

Cerámicos

MAQUINABILIDAD

Metales

FORMABILIDAD EN CALIENTE

Metales

Polímeros

FORMABILIDAD EN

FRIO

Metales

Polímeros

Cerámicos

TEMPLABILIDAD

Metales – Ferrosos – Aceros

SOLDABILIDAD

Metales

MALEABILIDAD

Metales

Polímeros

Cerámicos




EJERCICIO Nº 2

Teniendo en cuenta la matriz de compatibilidad de plásticos y diagrama de Ashby.

Seleccionar una pieza para usar como piñón plástico, que el módulo de Young se

encuentre entre los valores de 0,1 – 1,0 Gpa, la densidad seleccionada responda a los

valores de 1,0-1,5 Mg/m3.

Como se puede observar el diente está sometido a flexión, por lo que se toma un índice

de la siguiente forma:

(1)

Con las condiciones dadas en el ejercicio se establecen dos índices, un máximo y

uno mínimo .

Así.

√

√

√

√




El grafico de Ashby tiene escala logarítmica, por lo que la ecuación 1 se convierte en:

(2)

La ecuación 2, representa la ecuación de la recta de las líneas de selección de material,

como se muestra en la figura 1

Figura 1. Diagrama Ashby: Young vs Densidad




Como se observa en la figura 1, en la región de los polímeros las líneas pueden cortar

las zonas de HDPE, LDPE, PVC y PTFE, de estos se selecciona el que tenga el mayor

índice, gráficamente se puede observar que el HDPE posee mayor índice de reducción

de masa, por lo que este es el material seleccionado.

EJERCICIO Nº 3

Determine teóricamente la eficiencia para una barra circular sometida a tensión axial,

para resistencia y rigidez máxima. Dar un ejemplo real de aplicación.

Para determinar teóricamente la eficiencia,

consideremos la siguiente barra circular de área

transversal A (Figura 1), la cual está sometida a esfuerzo

axial simple debido a la fuerza P, por teoría se tiene que

la eficiencia es:

Donde P es la fuerza a la que está sometida la barra y m

la masa total de esta. También por definición el factor de

diseño en el material se define como:

(

)

Donde S es la resistencia a la fluencia, y el factor de diseño (Shigley novena edición

pág17). Luego, la densidad se define así:

Donde L es la longitud de la barra. Por ultimo tomando las ecuaciones 3 y 4 y

remplazando en la ecuación de la eficiencia (Ec. 1) se tiene.




La ecuación 4, es la ecuación de la eficiencia de una barra sometida a tensión axial

simple, para la resistencia. Para la rigidez máxima se tiene en cuenta la ecuación 2-3

del libro diseño en ingeniería mecánica de Shigley Pagina 31.

Esta ecuación de P al ser remplazada en la ecuación de la eficiencia y de la ecuación

de la deformación unitaria da como resultado:

( )

( )

( )

La ecuación 5 es la eficiencia de la barra, en función de la rigidez máxima del material.

Ejercicio de aplicación

Cierto componente mecánico compuesto por dos elementos, una horizontal de forma

rectangular y una diagonal de sección transversal circular de diámetro 20 mm unidos en

el punto B, que está sujeto en una pared por medio de dos pernos separados una

distancia de 600 mm, se le aplica una carga de 30 kN tal cual muestra la figura. Para la

barra circular calcule la eficiencia para la resistencia y rigidez máxima del material, los

materiales a usar son acero.




Resolviendo el ejercicio por los métodos básicos de la estática (no se resolverá porque

no es el objetivo de este curso) y teniendo presente que la barra es un elemento

sometido a la acción de dos fuerzas, la fuerza en este elemento es de P = 50 kN y esta

tensionando la barra de longitud L = 1000 mm.

Ahora el área de sección trasversal de la barra es:

Así el esfuerzo normal promedio al que está sometido la barra es de:

Luego mirando en una tabla para aceros la elección para este caso es un acero AISI

1006 laminado en caliente con resistencia a la fluencia S = 170 MPa, densidad =

7798,17 kg/m3 y un módulo de elasticidad E = 207 Gpa y considerando un factor de

diseño de 1,5

Así por tanto la deformación es:

Remplazando en las ecuaciones 4 y 5 tenemos como resultado:

Resistencia máxima

Rigidez máxima

( )




EJERCICIO N° 4

En las fallas de los materiales y componentes como fuente de experiencia en

ingeniería: ¿Cómo responde y cuál es su apreciación desde el punto de vista práctico

respecto a fallas debido a las condiciones?

Estas ocurren cuando las condiciones de operación del elemento no son previstas

adecuadamente en el proceso de diseño, como las vibraciones de una máquina que

aumentan los ciclo de esfuerzo y reducen la vida a la fatiga o las condiciones

ambientales como humedad y temperatura que también puede reducir

considerablemente la vida útil de la piza ya sea por corrosión o temple por choques

térmicos.

EJERCICIO N° 5

Para la selección de un material ferroso se debe tener en cuenta que estos admiten ser

plegados, soldados, calados, etc. siendo un producto fácil de manejo.

Para viabilizar un buen proyecto deben estar presentes dos aspectos fundamentales:

Aspecto económico. Considerar en el costo del proyecto, los costos de fabricación, transporte, instalación y mantenimiento. Elegir el tipo adecuado de material ferroso a ser utilizado.

Contar con las dimensiones delas chapas de material disponibles en el mercado

para reducir las pérdidas provenientes del corte.

Aspectos técnicos. Considerar el ambiente en el cual el proyecto va a ser construido. Tratar de evitar soluciones con muchas operaciones soldadas. Tener en cuenta que las manchas de soldaduras son difíciles de eliminar chapas de poco espesor. Preferir soldaduras a tope que eliminan la superposición de chapas como forma de prevenir un tipo de corrosión. Los acabados espejados resaltan pequeñas imperfecciones y marcas en la

superficie. Los pulidos con direccionalidad en la textura (esmerilado) reflejan de

manera diferente la luz ambiental, según se coloquen en forma longitudinal o

transversal.

En proyectos compuestos por varios tipos de materiales metálicos, se deben

tomar precauciones para prevenir la corrosión galvanica.

En cubiertas, debe contemplarse la adecuada inclinación para el drenaje de las

aguas pluviales; las distancias entre los soportes, según dimensiones de chapas.




Deben evitarse paneles muy grandes para evitar ondulaciones. Es preferible

optar por acabados opacos por razones obvias.

ASPECTOS GENERALES PARA LA SELECCIÓN DE ACEROS

En todos los materiales y, en los aceros en particular, las propiedades se pueden modificar mediante la modificación de la composición química y la aplicación de tratamientos térmicos y/o mecánicos.

Principales variables que influyen en las propiedades de los aceros: • Porcentaje de C • Porcentaje de elementos de aleación (Mn, Cr, Ni, Mo…) • Tratamiento térmico: Temple + Revenido, Recocido, Normalizado. • Tratamiento mecánico: Deformación en frío

Influencia del contenido en C

• A mayor contenido de C Mayor dureza y resistencia mecánica pero menor ductilidad y mayor fragilidad

• Soldabilidad: Empeora cuando aumenta el porcentaje de carbono • Maquinabilidad: Óptima para contenidos medios (0,3-0,5%)

Bajo C: Acero demasiado dúctil. Tiende a embotar la herramienta Alto C: Dureza excesiva. Desgaste acelerado de la herramienta

Aceros: Conceptos generales y tratamientos térmicos




Influencia de los elementos de aleación • Aceros de temple y revenido: Baja aleación (<5%): Los elementos de

aleación aumentan la templabilidad. Interesante en piezas de espesor mediano y grande. Principales elementos de aleación utilizados: Mn, Cr, Ni, Mo y B.

• Otros aceros: Aceros inoxidables: Cr mejora la resistencia a la corrosión. Alta

aleación. %Cr>12% Aceros de herramientas: Elementos de aleación que aumentan la

templabilidad y/o forman carburos endurecedores (Cr, Mo, V, W…) Aceros microaleados: Elementos de aleación que limitan el

crecimiento de grano y endurecen por precipitación (Ti, Nb, V) • Soldabilidad: Empeora cuanto mayor sea el contenido de elementos de

aleación • Maquinabilidad: En general empeora cuanto mayor sea el contenido de

elementos de aleación debido a que aumenta la dureza del acero y pueden formarse segundas fases (carburos, nitruros) abrasivas. Sin embargo, algunos elementos de aleación mejoran la maquinabilidad (p. ej. Mn + S)

Influencia del tratamiento térmico • Temple y revenido (bonificado, tratado en origen): Endurecimiento del

acero. Permite alcanzar un compromiso entre la Resistencia mecánica y la Tenacidad. Estado en el que se emplean los aceros aleados de temple y revenido.

• Recocido: Eliminación de características no deseadas para la posterior transformación o uso final del acero

Recocido de ablandamiento: Posible estado de suministro de los aceros de alta aleados para facilitar su mecanizado (p. ej. aceros de herramientas, aceros aleados de temple y revenido)

• Cementación/Nitruración: Endurecimiento a nivel superficial. Influencia del tratamiento mecánico

• Endurecimiento por deformación en frío, acritud: En alambres (trefilado) y chapas (laminación)

• Shot peening: Endurecimiento a nivel superficial. Aumenta resistencia a fatiga.




A lo largo de los años los ingenieros, inspectores, instaladores y los propietarios de

edificios han reconocido al hierro fundido como el mejor material para usarse en

aplicaciones para sistemas de conducción para drenajes, manejo de desperdicios,

ventilación y descargas de tormenta. Hay muchos y diferentes materiales alternativos

utilizados en estos sistemas con diferentes grados de éxito, pero el hierro fundido ha

permanecido como el estándar de la industria. A continuación se enumeran algunas

consideraciones de carácter general, a continuación se muestran dos propiedades que

no se suelen tener en cuenta a la hora de seleccionar un material para el caso

específico de tubería de hierro fundido.

TEMPERATURA MÁXIMA DE TRABAJO Los códigos sanitarios de plomería restringen las descargas en líneas sanitarias a 140°

F (60 °C), pero la realidad es que las descargas en cocinas comerciales y equipos

pueden a veces sobrepasar estas directrices de temperatura. Las tuberías de hierro

fundido con juntas de neopreno tienen una temperatura máxima de trabajo de 212 °F

(100 °C).

EXPANSIÓN TÉRMICA Las tuberías y conexiones de hierro fundido se expandirán 0.745” (1.9 cm) por cada 100

pies (30.5 m) de tubería por un cambio en la temperatura de 100° F (37.8° C). El

movimiento del hierro fundido es cercano al del acero estructural y del concreto, lo que

significa que literalmente “se mueve con el edificio” y por lo general no requiere de una

compensación por expansión o contracción.

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