capítulo 2 materiales 2

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Shigley’s Mechanical Engineering Design

Capítulo 2

Materiales 2

Lecture Slides

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Adaptación y Traducción

MSc. Edgar Delgado G.Uso exclusivo curso

Diseño Mecanico UDI

2020



Dureza

Dureza – La resistencia de un material a la penetración por una

herramienta puntiaguda

Dos sistemas de medición de dureza más comunes.

◦ Rockwell.

Escalas A, B y C

Indentadores y cargas especificados para cada escala

Los números de dureza son relativos.

◦ Brinell

Número de dureza HB es la carga aplicada dividida por el

área de superficie esférica de la penetración



Esfuerzo y Dureza

Para muchos materiales, la relación entre la resistencia final y el

número de dureza de Brinell es aproximadamente lineal.

Para aceros

Para hierro fundido



Example 2–3

0.23 HB – 12.5 kpsi

20 = 0.23 HB – 12.5

HB = (20 + 12.5)/ 0.23

HB = 32.5 / 0.23

HB = 141.3

145 ≤ 155 ≤ 165



TABLA A-24



Propiedades de impacto

Prueba de barra con muesca Charpy utilizada para determinar la

fragilidad y la resistencia al impacto

Espécimen golpeado por péndulo

La energía absorbida, llamada valor de impacto, se calcula

desde la altura del swing después de la fractura



Efecto de la temperatura en el impacto

Algunos materiales experimentan una transición aguda de dúctil

a frágil a cierta temperatura

Fig. 2–7



Efecto de la tasa de tensión en el impacto

La tasa de deformación media para el diagrama de tensión-deformación es 0.001 in/(in·s)

El aumento de la tasa de tensión aumenta las fortalezas

Debido a la resistencia al rendimiento que se aproxima a la resistencia final, se podría esperar que un acero suave se comporte elásticamente a través de prácticamente todo su rango de resistencia en condiciones de impacto

Fig. 2–8



Efectos de temperatura en los Esfuerzos

Gráfica de resistencia frente a

temperatura para aceros al

carbono y aleación

A medida que la temperatura

aumenta por encima de la

temperatura ambiente.

◦ Sut aumenta ligeramente,

luego disminuye

significativamente.

◦ Sy disminuye

continuamente.

◦ Resultados en una mayor

ductilidad

◦

Fig. 2–9



Creep

Creep – una deformación continua bajo carga durante largos períodos de tiempo a temperaturas elevadas

A menudo exhibe tres etapas:

◦ 1a etapa: deformación elástica y plástica; disminución de la tasa de fluencia debido al endurecimiento de la tensión

◦ 2a etapa: tasa de fluencia mínima constante causada por el efecto recocido

◦ 3a etapa: reducción considerable de la superficie; aumento del estrés verdadero; mayor tasa de fluencia que conduce a la fractura

Fig. 2–10



Sistemas de numeración de materiales

Sistemas de numeración comunes:

◦ Society of Automotive Engineers (SAE)

◦ American Iron and Steel Institute (AISI)

◦ Unified Numbering System (UNS)

◦ American Society for Testing and Materials (ASTM) for cast

irons



Sistema de numeración UNS

UNS sistema establecido por SAE en 1975

Prefijo de letra seguido de un número de 5 dígitos.

Prefijo de letra designa la clase de material.

◦ G – carbono y acero de aleación

◦ A –Aleación de aluminio

◦ C –Aleación a base de cobre

◦ S –Acero inoxidable o resistente a la corrosión



UNS for Steels

Para el acero, el prefijo de letra es G

Los dos primeros números indican la composición, excluyendo el contenido de carbono

El segundo par de números indica el contenido de carbono en centésimas de un porcentaje en peso

El quinto número se utiliza para situaciones especiales

Ejemplo: G52986 es una aleación de cromo con 0,98% de carbono



UNS para Aluminios

Para aluminios, el prefijo de letra es A

El primer número indica el procesamiento

El segundo número indica el grupo de aleación principal

El tercer número se utiliza para modificar la aleación original o para designar los límites de impureza

Los dos últimos números se refieren a otras aleaciones utilizadas con el grupo básico



Algunos procesos de fundición

Fundición de arena

Moldeo de carcasas

Fundición de inversiones

Proceso de metalurgia en polvo



Procesos de trabajo en caliente

Proceso en el que el metal se forma mientras se calienta por

encima de la temperatura de recristalización

Tamaño de grano refinado

Acabado superficial áspero

Rodar, forjar, extrusión, prensar

Secciones transversales comunes de la barra de laminación en

caliente

Fig. 2–11



Procesos de trabajo en frío

Formación de metal sin elevar la

temperatura

La tensión se endurece, lo que

resulta en un aumento de la

resistencia al rendimiento

Aumenta la dureza y la resistencia

final, disminuye la ductilidad

Produce un acabado brillante, suave

y razonablemente preciso

Laminación en frío se utiliza para

producir pisos y láminas anchas

El grafico en frío dibuja una barra

laminada en caliente a través de un

dado más pequeño

Fig. 2–12



Tratamiento térmico del acero

Procesos controlados por tiempo y temperatura que modifican las propiedades del material:

Recocido:

◦ Calentado por encima de la temperatura crítica, mantenido, luego y enfriado lentamente

◦ Refina la estructura del grano, se ablanda, aumenta la ductilidad

◦ Borra la memoria de operaciones anteriores

◦ La normalización proporciona recocido parcial ajustando el tiempo y la temperatura.

Templado rápido:

◦ La velocidad de enfriamiento controlada evita el recocido completo

◦ Menos perla, más martensita y/o bainita

◦ Mayor resistencia, dureza, fragilidad



Tratamiento térmico del acero

Tempering (templado en dos pasos)

◦ Recalentar después de enfriar a una temperatura por debajo de

la temperatura crítica

◦ Alivia las tensiones internas

◦ Aumenta la ductilidad, una ligera reducción de la resistencia y

la dureza



Effects of Heat Treating

Fig. 2–13



Endurecimiento de la caja

Proceso para aumentar la dureza en la superficie exterior,

manteniendo al mismo tiempo la ductilidad y la tenacidad en el

núcleo

Adición de carbono a la superficie exterior por exposición a alto

carbono sólido, líquido o gas a temperatura elevada

También puede lograr el endurecimiento de la caja mediante el

tratamiento térmico sólo la superficie externa, por ejemplo,

endurecimiento por inducción o endurecimiento de la llama



Aceros de aleación

Cromo

Níquel

Manganeso

Silicio

Molibdeno

Vanadio

Tungsteno



Aceros resistentes a la corrosión

Aceros inoxidables:

◦ Aleaciones de base de hierro con al menos un 12 % de cromo

◦ Resiste muchas condiciones corrosivas.

Cuatro tipos de aceros inoxidables:

◦ Cromo ferrítico

◦ Cromo-níquel austenítico

◦ Martensítico

◦ Endurecimiento por precipitación



Materiales de fundición

Hierro fundido gris

Hierro fundido dúctil y nodular

Hierro fundido blanco

Hierro fundido maleable

Hierro fundido de aleación

Acero fundido



Metales no ferrosos

Aluminio

Magnesio

Titanio

Aleaciones a base de cobre:

◦ Latón con 5 a 15 por ciento de zinc.

Latón dorado, bronce comercial, latón rojo.

◦ Latón con 20 a 36 por ciento de zinc:

Latón bajo, latón de cartucho, latón amarillo

Latón de bajo plomo, latón de alta plomo (latón del grabador), latón de corte libre

Almirantazgo de metal

Latón de aluminio.

◦ Latón con 36 a 40 por ciento de zinc:

Muntz metal, latón naval.

◦ Bronce:

Bronce de Silcon, bronce fósforo, bronce de aluminio, bronce de berilio



Plásticos

Termoplástico – cualquier plástico que fluya o sea moldeable

cuando se aplica calor

Thermoset – un plástico para el que el proceso de

polimerización se termina en una prensa de moldeo en caliente

donde el plástico se licua bajo presión



Thermoplastic Properties (Table 2–2)

Source: These data have been obtained from the Machine Design Materials Reference Issue, published by Penton/IPC,

Cleveland. These reference issues are published about every 2 years and constitute an excellent source of data on a great variety of materials.



Thermoset Properties (Table 2–3)

Source: These data have been obtained from the Machine Design Materials Reference Issue, published by Penton/IPC,

Cleveland. These reference issues are published about every 2 years and constitute an excellent source of data on a great variety of materials.



Materiales compuestos

Formado a partir de dos o más materiales diferentes, cada uno de los

cuales contribuye a las propiedades finales

Los materiales siguen siendo distintos entre sí a nivel macroscópico

Por lo general amorfo y no isotrótropo.

A menudo consiste en laminados de relleno para proporcionar rigidez

y resistencia y una matriz para mantener el material unido.

Tipos de relleno comunes:

Fig. 2–14



Material Families and Classes (Table 2–4)




From M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 3rd ed., Elsevier Butterworth-Heinemann,

Oxford, 2005. Table 4–1, pp. 49–50.



Módulo de Young para diversos materiales

Fig. 2–15



Young’s Modulus vs. Density

Fig. 2–16



Specific Modulus

Módulo específico –

relación del módulo de

Young a la densidad, E / r

También llamado rigidez

específica

Es útil para minimizar el

peso con la limitación del

diseño primario de

desviación, rigidez o

frecuencia natural.

Líneas paralelas que

representan diferentes

valores de E / r permiten la

comparación de módulos

específicos entre materiales

Fig. 2–16Figure courtesy of Prof. Mike Ashby, Granta Design, Cambridge, U.K.



Pautas mínimas de masa para la gráfica de densidad

de módulo de Young

Las directrices

trazan valores

constantes de Eb/r

b depende del tipo

de carga

b = 1 para axial

b = 1/2 para doblar

Por ejemplo, para la carga axial,

k = AE/l A = kl/E

m = Alr = (kl/E) lr =kl2 r /E

Por lo tanto, para minimizar la masa, maximice E/r (b = 1)

Fig. 2–16Figure courtesy of Prof. Mike Ashby, Granta Design, Cambridge, U.K.



La métrica de rendimiento

La métrica de rendimiento depende de (1) los

requisitos funcionales, (2) la geometría y (3) las

propiedades del material.

La función es a menudo separable,

f3 (M) se llama el coeficiente de eficiencia del material.

Maximizar o minimizar f3 (M) permite utilizar la

elección del material para optimizar P.



Performance Metric Example

Requisitos: ligero, rígido, haz voladizo con carga final con

sección transversal circular.

Masa m de la viga se elige como la métrica de rendimiento para

minimizar

La rigidez es un requisito funcional

La rigidez está relacionada con el material y la geometría




De la tabla de desviación de

vigas,

3

3

Fl

EI =

Sub Eq. (2-26) into Eq. (2-25) and solve for A

La métrica de rendimiento es

Sub Eq. (2–27) into Eq. (2–28),




Separating into the form of Eq. (2–24),

Para minimizarm, necesidad de minimizar f3 (M), o

maximizar




M se llama índice de

materiales

Para este ejemplo, b = ½

Utilice directrices

paralelas a E1/2/r

Aumento M, subir y a la

izquierda

Los buenos candidatos

para este ejemplo son

ciertas maderas,

compuestos y cerámicas

Fig. 2–17

M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 3rd ed., Elsevier

Butterworth-Heinemann, Oxford, 2005.




Se pueden agregar

restricciones adicionales

según sea necesario

Por ejemplo, si se desea

que E > 50 GPa, añadir

línea horizontal para

limitar el espacio de

solución

La madera se elimina

como una opción viable

Fig. 2–18

M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 3rd ed., Elsevier

Butterworth-Heinemann, Oxford, 2005.



Strength vs. Density

Fig. 2–19Figure courtesy of Prof. Mike

Ashby, Granta Design,

Cambridge, U.K.



Specific Modulus

Fuerza específica – relación

de fuerza a densidad, S / r

Es útil para minimizar el

peso con la limitación de

resistencia del diseño

primario

Líneas paralelas que

representan diferentes

valores de S / r permitir la

comparación de la

resistencia específica entre

los materiales

Fig. 2–19Figure courtesy of

Prof. Mike Ashby,

Granta Design,

Cambridge, U.K.



Pautas mínimas de masa para la gráfica de densidad

de fuerza

Las directrices trazan

valores constantes de

Sb/r

b depende del tipo

de carga

b = 1 para axial

b = 2/3 para doblar

Por ejemplo, para la carga axial,

= F/A = S A = F/S

m = Alr = (F/S) lr

Por lo tanto, para minimizar m, Maximizar S/r (b = 1)

Fig. 2–19Figure courtesy of Prof. Mike

Ashby, Granta Design,

Cambridge, U.K.

capítulo 2 materiales 2

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