CONTENIDO: PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

TECNOLOGIA DE MATERIALES.

TEMAS  No. 5 Y 6 (SEMANAS  No. 5 Y 6)

CONTENIDO: PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES.

1. Conceptos generales: 
         La mecánica de materiales es la rama de la mecánica aplicada que trata del comportamiento de los cuerpos sólidos sometidos a varios tipos de cargas.También se le llama “resistencia de materiales”.

El objetivo principal es determinar los esfuerzos, deformaciones  y desplazamientos es estructuras y componentes debido a las cargas que se aplican.[pic 1]

Una barra prismática es un elemento estructural recto con sección transversal uniforme.

Fuerza axial es una carga dirigida a lo largo del eje del elemento sometido a tensión o compresión.

El  esfuerzo es la carga dividida entre el área transversal del elemento. Es decir:   σ =  P / a
       La  resistencia es la capacidad de una estructura para resistir cargas.

La deformación unitaria es la deformación total que sufre un elemento sometido a una carga dividida entre la longitud inicial de dicho elemento. Es decir:  є =  δ / long.

[pic 2]

Para que las máquinas o estructuras trabajen apropiadamente su diseño requiere que entendamos el comportamiento mecánico de los materiales usados.

2. Máquina universal de pruebas.

El comportamiento mecánico de los metales se puede determinar realizando ensayos y pruebas en la máquina universal de pruebas, donde se le aplican cargas a una probeta hecha con el material a probar  se miden las deformaciones causadas por las cargas con un aparto llamado “extensómetro” el cual puede detectar deformaciones muy pequeñas. Esto se realiza usando procedimientos dados por normas expedidas por institutos reconocidos como la ASTM (American Society for Testing and Materials), SAE (Society of American Engeneers) o algún otro.

       La norma nos dice cómo se debe maquinar la probeta. Esta debe tener un diámetro central de 0.505 pulg.  y  la longitud calibrada es de 2.0 pulg. entre marcas de calibración.

Con  los datos obtenidos en dichas pruebas se elabora la gráfica de “Esfuerzo” contra  “Deformación Unitaria”  (Gráfica de σ  vs. є) de donde se obtienen datos muy interesantes sobre el material, tales como:
[pic 3]

a)  Límite de proporcionalidad: Es el mayor esfuerzo desarrollado sin que se desvíe de la zona de proporcionalidad.

b) Límite elástico: Es el máximo esfuerzo generado sin que se produzca una deformación permanente al quitar la carga aplicada.
                                                                                                             

c) Límite de fluencia: Es el máximo esfuerzo generado sin que se sobrepase una deformación
permanente admisible (0.1 % al 0.2 %) al quitar la                       Probetas: Inicio, Estricción y Fracturada.
carga aplicada.                      

        d) Punto de fractura: Es el punto de la gráfica donde la probeta se fractura y ahí termina la gráfica.
        [pic 4]

 Módulo de elasticidad: (E) es la pendiente de la linea recta de proporcionalidad, es decir, en la linea recta tenemos que:  σ  es proporcional a є,  entonces tenemos que:  σ = E є o sea que esta es la ley de Hooke  para los metales. Este módulo de elasticidad es característico para cada metal, por ejemplo E del acero es 30 X 106 lb / plg.2
        La ley de Hooke nos dice que la deformación unitaria es directamente proporcional al esfuerzo aplicado, por lo que si agregamos una constante (en este caso la E) tenemos la ecuación dada anteriormente:  

σ  =  E  є       A la “E”  también se le llama Módulo de Elasticidad o Módulo de Young (científico inglés).

Gráfica de σ  vs. є                 [pic 5]

 
         Una gráfica típica de un material dúctil como el Aluminio o un acero “dulce” (bajo contenido de Carbono) es como se muestra al lado derecho.

El acero estructural conocido también como acero dulce o acero de bajo carbono es el metal más ampliamente usado y se encuentra en edificios, puentes, grúas, barcos, torres, vehículos, etc.

Los materiales que fallan a tensión a valores relativamente bajos de deformación unitaria se clasifican como “frágiles” . Algunos ejemplos de materiales frágiles: concreto, piedra, fundiciones de hierro, vidrio, cerámicas, etc. Los aceros de alto carbono soportan esfuerzos de fluencia muy altos, pero su comportamiento es frágil y su fractura ocurre con pequeñas deformaciones. El vidrio ordinario es un material casi idealmente frágil porque casi no presenta ductilidad.

El concreto se prueba a compresión  y la probeta mide  6.0 pulg. de diámetro y 12 pulg. de largo. La prueba debe hacerse a los 28 días de edad después de vaciada la muestra  cuando el concreto alcanza su máxima resistencia a compresión.[pic 6]

Por otro lado, los materiales dúctiles son aquellos que soportan  grandes deformaciones antes de fracturarse, y no soportan grandes esfuerzos de fluencia, ejemplos son: el aluminio, el cobre, los aceros de bajo carbono, etc. En la gráfica anterior se muestra una comparación entre un material frágil y un material dúctil.

3. Práctica sobre la elaboración de una gráfica de Esfuerzo (σ) contra Deformación Unitaria  (є)

El alumno deberá elaborar dos gráficas  de σ  vs. є  con los datos dados a continuación los cuales se obtuvieron de una prueba real hecha en una máquina universal de pruebas a un acero de alta resistencia. La primera gráfica será hecha manualmente en una hoja tamaño carta de papel milimétrico; la segunda deberá hacerse utilizando Excel u otro software de gráficos. La probeta se construyó según la norma correspondiente con un diámetro de 0.505” (plg.)  y una longitud calibrada de 2”.   La actividad será trazar la curva convencional esfuerzo-deformación unitaria y señalar los 4 puntos de:  límite  de proporcionalidad, el de elasticidad, el de fluencia y el punto de fractura.  Se  utilizarán  los siguientes datos:

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