RESISTENCIA DE MATERIALES CONCEPTOS BÁSICOS Y DEFINICIONES

RESISTENCIA DE MATERIALES CONCEPTOS BÁSICOS Y DEFINICIONES

Ing. Edgar Torres Barahona

Estudiante: Gabriela Torres Salas

Cod: 201810057

1. OBJETIVO

Definir el contexto en el que se hace análisis del comportamiento mecánico de los materiales, como funda- mentó para el desarrollo del curso de mecánica de materiales (resistencia de materiales)

1. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

Con el desarrollo de esta guía y la consulta en los referentes bibliográficos sugeridos u otros consultados, el estudiante estará en capacidad de:

• Establecer los orígenes de la Resistencia de Materiales.
• Emitir conceptos sobre las propiedades mecánicas de los materiales y sobre las condiciones ideales para el estudio de los materiales.

1. ASPECTOS TEÓRICOS A DESARROLLAR

1.   Haga una relación de la historia de la resistencia de los materiales teniendo en cuenta: principales aportes, el autor y la época.

Se presentaron dos periodos en el estudio de la resistencia de materias: Periodo clásico y periodo moderno.

• Periodo clásico:  Resaltan los siglos XVII y XVIII

• Galileo Galilei: (siglo XVII) los constructores se basaban para utilizar los materiales con reglas empíricas y experiencias generadas por el paso de los años. Galileo estudio los miembros en tensión y compresión y también vigas. Con esto estableció diferentes métodos de descripción experimental de las propiedades mecánicas de los materiales.
• Saint Venant, Poisson, Lamé y Navier: (Siglo XVIII) retomaron el estudio de Galileo y lo perfeccionaron en Francia, aplicando estos métodos en la construcción de buques para la marina italiana.

• Periodo moderno:  resaltan los siglos XIX y XX.

• Navier: (1826) Fue el primero en publicar un libro de Resistencia de materiales.
• (Finales del siglo XIX y principios del siglo XX): Se desarrollaron la mayoría de métodos propuestos en el periodo clásico.
• Siglo XX: Fue el lapso de tiempo en el que se presentaron mas eventos relevantes en la historia de la resistencia de materiales que explicaremos a continuación:

• Clapeyron: Formulo la ecuación de los tres momentos para el análisis de vigas continuas.
• Maxwell: Presento el método de las deformaciones coherentes, la ley de las deflexiones, los círculos de Mohr del esfuerzo y la deformación unitaria.
• Castigliano: formulo el teorema del trabajo mínimo.
• Grene: desarrollo el método del Momento-Área.
• Müller-Breslau: Presento un principio para la construcción de líneas de influencia.
• Maney:  Desarrollo el método de la pendiente-deflexión.
• Hardy Cross: desarrollo el método de la distribución de momentos exactamente en el año 1924.
• Argyris, Clough, Kelsey, Livesley, entre otros: revolucionaron el análisis estructural en computadoras.

1. Establecer y apropiar el concepto de:

• Resistencia de Materiales: Es la rama de la mecánica que estudia las interacciones entre cargas externas aplicadas a un cuerpo deformable y la intensidad de las fuerzas que intervienen dentro de él. Esta rama considera el solido con forma de barra esbelta, generalmente como una recta.
• Elasticidad: Es una propiedad de los materiales que se caracteriza por reestablecer de manera parcial o total un material sometido a la deformación provocada por una fuerza o carga aplicada.
• Plasticidad: Es la propiedad opuesta a la elasticidad. Por definición se dice que al aplicar una carga y el material se deforma, este mantendrá la deformación causada.
• Material continuo: También llamado material macizo. Es un material que no contiene huecos o grietas.
• Material homogéneo: las propiedades son iguales en distintos puntos del material.
• Materiales isótropos: en cualquier punto dado las propiedades no dependen de la dirección de observación
• Principio de Saint Venant: Es un principio fundamental de la resistencia de materiales que establece que el valor de las fuerzas interiores en los puntos del solido situado lejos de los lugares de aplicación de las fuerzas depende muy poco de modo de aplicación.

1. Desarrolle los siguientes conceptos:

1. Comportamiento elástico, plástico y elastoplástico de los materiales.

• Comportamiento elástico: se presenta cuando un sólido se deforma recibiendo mayor cantidad de energía potencial elástica por consiguiente también aumenta su energía interna sin que se alteren las transformaciones termodinámicas irreversibles.
• Comportamiento plástico: en este concepto las transformaciones son irreversibles ya que al remover las fuerzas aplicadas el cuerpo no vuelve a su estado inicial de manera parcial o total
• Comportamiento elastoplástico: Es un estado hipotético en un material presenta dos situaciones.

La primera, si se presenta la acción de una fuerza menor a la del limite de proporcionalidad, significa que el material posee un comportamiento elástico y la segunda, si se presenta una fuerza ligeramente mayor a la del limite de proporcionalidad, significa que el material fluye aumentando su deformación hasta que esta llegue a la correspondiente falla.

1. Materiales elásticos (por lo menos tres ejemplos):

Son materiales que tienen la capacidad de resistir a una fuerza y restablecer a su forma y tamaño original cuando la fuerza es retirada.

EJEMPLOS:

• Hule: Es utilizado para el recubrimiento de abrasivos empleados en el rectificado.
• Grafeno:  utilizado en la fabricación de microprocesadores que llevan incorporados transistores de grafeno, también lo vemos presente en fabricación de pantallas táctiles flexibles.
• Fibra de vidrio:  utilizado en la fabricación de la carrocería tanto de automóviles, trenes y tranvías; también lo podemos encontrar en los neumáticos de las ruedas de los automóviles.

1. Materiales plásticos (por lo menos tres ejemplos)

Son materiales que cuando son sometidos a una deformación esta permanecerá de manera fija.

EJEMPLOS:

• PET: Es altamente utilizado en capacitores que contienen una película en PET empleada en telecomunicaciones y aparatos tecnológicos.
• Polipropileno: Utilizado en la fabricación de sillas y mesas del sector comercial.
• PVC:  Utilizado en tuberías tanto industriales, como en el sector de la construcción.

1. Materiales dúctiles y frágiles (Conceptos y por lo menos tres ejemplos para cada caso)

• Materiales dúctiles: Son los materiales que poseen una gran resistencia a la deformación causada por una tensión, compresión o torsión.

EJEMPLOS:

• Aluminio: Es uno de los materiales mas utilizados en la industria así que tiene gran variedad de aplicaciones como en la construcción de equipos médicos, equipos electrónicos, fabricación de empaques de alimentos, Construcción de medios de transporte, manufactura de estructuras entre otros.
• Hierro: el sector donde mas emplean es la siderurgia, construcción y en la industria química y de hidrocarburos.
• Cobre: Elaboración de monedas, utilización de cables de conexión para transmitir energía eléctrica.

• Materiales frágiles: Son materiales que poseen poca fluencia antes de romperse

EJEMPLOS:

• Diamante: En el sector de la joyería es utilizado como piedra preciosa pero también es utilizado para la producción de herramientas de corte muy efectivas.
• Vidrio: Se encuentra en la industria y la arquitectura, pero también podemos encontrarlo en la elaboración de paneles solares
• Grafito: Componente de ladrillos refractarios y crisoles. También lo encontramos en la producción de pistones, arandelas y rodamientos.

1. Concepto de esfuerzo: Es la fuerza que se ejerce sobre un área unitaria. Esta dada por la ecuación:

[pic 1]

Las unidades de esta magnitud en el sistema internacional son  .[pic 2]

1. Esfuerzo normal: Es el esfuerzo interno o una resultante de tensiones normales(perpendiculares) aplicadas en la superficie del cuerpo.

1. Esfuerzo cortante: Es el esfuerzo interno o una resultante de tensiones paralelas aplicadas en la superficie del cuerpo.

1. Esfuerzo de apoyo en conexiones: es una medida de la directriz que tiene la fuerza ejercida de aplastar al miembro que lo resiste. 

1. Diagrama esfuerzo deformación: es una representación del comportamiento que tiene un material al ser sometido a una deformación provocada por una tensión, compresión o torsión

[pic 3]

1. Haga un análisis de los diagramas de esfuerzo-deformación mostrados en la figura, teniendo en cuenta los siguientes conceptos:

1. Esfuerzo
2. Deformación unitaria
3. Zona elástica
4. Zona plástica
5. Zona elastoplástica
6. Límite de proporcionalidad
7. Límite elástico
8. Resistencia a la fluencia
9. Esfuerzo ultimo
10. Esfuerzo de rotura
11. Endurecimiento por deformación
12. Estricción.
13. Módulo de Young (o de elasticidad)

[pic 4]

La grafica a) es la representación del comportamiento que tiene un acero de bajo carbono al ser sometido a un esfuerzo, en este caso tendrá un esfuerzo máximo de 60 ksi.

Al iniciar la evaluación del material se puede percibir que inicia con un comportamiento lineal, el cual está indicado con color azul y esta zona refleja el comportamiento elástico del metal; como se dijo anteriormente esta sección tiene la idealización de una línea recta en pocas palabras para deformaciones pequeñas, el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación y está dada por la ecuación  donde E es el modulo de Young que es un valor fijo característico de cada material. En el punto  encontramos el limite elástico que es el fin de este estado anteriormente mencionado y le da entrada al comportamiento elastoplástico que dadas las características del material no puede ser visualizado ya que sucede de manera rápida y comenzara el comportamiento plástico indicado de color naranja hasta el fin del ensayo; en esta sección se presentan dos zonas características y muy importantes, después de que el esfuerzo llegue al límite de elasticidad se genera la cedencia que es cuando el material empieza a fluir y queda con una deformación irreversible. Como se sigue aumentando el esfuerzo se sigue deformando el material, pero sin generar la ruptura hasta llegar una medida máxima nombrada  que es la resistencia ultima, toda esta zona es conocida como endurecimiento por deformación es el que presenta mayor cambio causado por esfuerzos cortantes. Para finalizar el material sufre una elongación y los esfuerzos empiezan a disminuir, esto crea un tipo de cuello de botella disminuyendo el diámetro de la probeta hasta que sufre una rotura donde se llega a una deformación de 0,25. [pic 5][pic 6][pic 7]

...