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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
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FORMATO DE PRESENTACIÓN DE PROYECTOS DE
INVESTIGACIÓN EN MENOR CUANTIA
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
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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
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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.
√
√
√
√
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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
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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.
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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.
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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
( )
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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.
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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
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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.
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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.