Juan Caroca Carrasco Proyecto Final Resistencia a los materiales Instituto IACC 04 de junio 2018
Proyecto Final
Responda las preguntas que se entregan a continuación, en el caso de utilizar información tomada de libros o páginas web de fuentes válidas, no olvide colocar la respectiva referencia bibliográfica.
1) En relación a la selección de materiales para la fabricación de un cuadro de bicicleta (como el de la imagen):
a)
Mencione
cuáles
son
los
factores
y
requerimientos a tomar en cuenta en el diseño del cuadro de una bicicleta de montaña. - Primeramente, en este caso debemos considerar el tipo de uso que queremos darle a la bicicleta - El peso que requerimos para armar nuestra bicicleta si queremos un material más liviano u otro con mayor peso -. Además, contar con el presupuesto acorde a los gastos que nos están pidiendo según el material.
b) Tomando en cuenta que el acero, el aluminio y el titanio se han empleado como los metales principales en la estructura de una bicicleta, determine las principales ventajas y desventajas de cada uno de ellos. Ventajas de un marco de acero en la bicicleta -
Tiene una mayor vida útil debido a su gran resistencia a la fatiga.
-
Tiene una gran resistencia a la tracción
-
Absorbe de mejor manera las vibraciones que transmite el terreno lo que le da una mayor confortabilidad al usuario
-
Tiene fácil de reparación en cuanto a la soldadura.
Desventajas del marco de acero de una bicicleta -
Este material es más pesado si lo comparamos por ejemplo con el aluminio ahora bien las modernas aleaciones de acero de calidad difieren muy poco en peso con el aluminio
-
Aquí nos encontramos con una gran desventaja que es la oxidación la cual se deberá mantener las precauciones debidas que hay que tener ya que un buen acero protegido con una buena pintura y, por supuesto, al que se le haga un buen mantenimiento, no tiene ningún problema en este sentido. Sobra decir que si el acero es inoxidable esta supuesta desventaja no existiría.
Ventajas de un marco de aluminio en la bicicleta -
A diferencia de los marcos de acero los marcos de aluminio en este caso no son propensos al oxido, siendo ideales para el ciclismo de montaña
-
Tiene una ligereza notoria en comparación al acero un 50% menos que el acero
-
Tiene un coeficiente de amortiguación en este caso de unas cinco veces superior al material de acero esto se ve reflejado en uso que le da el usuario una vez en la bicicleta
-
En comparación al acero el aluminio apenas se ve afectado levemente
por el
fenómeno de la corrosión por lo que la pintura pasa a ser un elemento decorativo. Aun así, algunos fabricantes tomas medidas preventivas de igual manera.
Desventajas del marco de aluminio de una bicicleta -
Es un material cuya característica cuenta con ciertas fragilidades si hablamos de resistencia, roturas y fatiga de material en este caso un 50% menos en compara ción al acero
-
Muchos fabricantes se ven obligados a reforzar con tubos de mayor peso otorgando un peso adicional que debiera tener como tal en lo que a aluminio se refiere en todo caso el peso del marco sigue siendo menor al del acero.
Ventajas del marco de Titanio de una bicicleta -
Como material para la bicicleta es ventajoso en comparación a otro ya que es resistente a la corrosión es decir no se oxida.
-
Posee un peso especial un 60% menos que el acero ya que este material exótico tiene su principal aplicación en la construcción de artículos aeroespaciales y quirúrgicos.
-
Material que ofrece una ratio rigidez-flexión excelente ofreciendo una comodidad sobre la bici totalmente distinta a cualquier otro material
Desventajas del marco de Titanio en una bicicleta -
Material costoso y de difícil elaboración tuvo su apogeo por allí en los años 90 su alto costo por sobre el carbono lo hace muchas veces de difícil alcance al publico
c) Las bicicletas modernas se fabrican con materiales compuestos avanzados. Mencione tres materiales compuestos específicos empleados en la estructura de una bicicleta y explique por qué se utilizan dichos materiales.
Hoy en dia no podemos los materiales con los que se construyen las bicicletas sin lugar a dudas que han ido variando en el tiempo a lo que antiguamente conocíamos como lo eran el acero, titanio u fibra de carbono. Pero en el presente hemos encontrado materiales c omo: -. ¿El grafeno o con el basalto? el concepto del termoplástico? 1.-Hoy en dia hablar del Grafeno es hablar claramente del futuro En junio de 2016 la marca Dassi (británica, especializada en cuadros personalizados) presentó el primer cuadro de grafeno, el Interceptor, en realidad se trataba de un cuadro de carbono que contenía un pequeño porcentaje de grafeno. Este material es un compuesto de carbono puro con una disposición hexagonal de sus átomos.
2.- La fibra de carbono otro tipo de material empleado en la fabricación de bicicletas material que está compuesto por una fibra sintética, en este caso formada por átomos de carbono unidos en filamentos y con un contenido mínimo del 92% de carbono, unida por resinas. En muchas ocasiones para complementar al carbono en la formación de las fibras se utilizan otros materiales. Usado hoy en día en las gamas medias y altas de cualquier modalidad de ciclismo, desde las bicicletas súper ligeras de Ruta a las más radicales de Enduro y otras modalidades de Mountain Bike.
3.- El Titanio Material empleado en la industria de las bicicletas de un costo superior la cual ofrece en este caso una duración amplia en el tiempo, material que no es corrosivo si un poco duro al trabajar por eso las marcas que ofrecen este tipo de material en sus bicicletas deben hacerlo de manera anticipada ya que al ser un material más difícil de cortar se fabrican modelos únicos casi exclusivos, pero comprando un material que será para toda la vida
2) A una barra cilíndrica metálica de 2 cm diámetro y 20 cm de largo se le hace un ensayo de tracción,
obteniéndose
el
siguiente gráfico.
A partir de la información observada, determine, justificando cada una de sus respuestas, lo siguiente:
a) La densidad del material, si la masa de la barra es de 493 gramos. =
m/V
r = 1cm
=?
m = 0,493 Kg
V = *r²*h, donde:
=
3,1416
h = 20cm
V = 3,1416 * (1cm) ² * 20cm V = 62,8319 cm3 = 0,493 kg / 62,8319 cm 3 = 7,8463 kg / cm 3
b) Si la barra está elaborada con bronce, acero o aluminio. De acuerdo al grafico según lo que se logra verificar Esfuerzo / Deformación el material en este caso se observa es el acero
c) Qué tipo de fractura espera que tenga el material. Conforme al material que estamos viendo podemos señalar que el tipo de fractura que puede presentarse en este caso es el de una fractura dúctil.
d) Cuál es la dureza Brinell aproximada de la barra. Podemos señalar en este caso que es de 900 a 1000 a Brinell en este caso
3) Observe el siguiente diagrama de fases de la cerámica MgO – FeO:
A partir de los datos del diagrama, determine las fases presentes, la composición de cada fase y la cantidad de cada fase en (%) para las siguientes cerámicas a 2.000 °C:
a) MgO – 20% FeO: Para 2.000 °C La aleación está en fase sólida por ende la
composición es de 20% Mgo (el restante 80% es FeO)
b) MgO – 40% FeO: Para 2.000 °C la aleación aquí está en fase sólida por ende la
composición es de 40% Mgo (el restante 60% es FeO)
c) MgO – 60% FeO: Para 2.000 °C continuando con la línea de la temperatura hasta
la curva de sólida, hay una composición de 40% Mgo y observándola al llegar a la curva de líquidos hay ya una composición del 67% FeO. - de esta forma la fase sólida tiene una composición de 40% Mgo y la fase líquida de 67% FeO.
d) MgO – 80% FeO Para 2.000 °C esta aleación se encuentra ya en una fase Liquida 100%.
4) Dada la curva del siguiente gráfico
Determine: a) El módulo de elasticidad. E=
/ε
E=? = 225 Mpa ε= 0,0018
E = 225 Mpa / 0,0018 E = 125000 Mpa
b) La resistencia a la fluencia compensada para una deformación del 0,002 =E*ε e = 125000 Mpa * 0,002 e = 250 Mpa e
c)La resistencia a la tracción. e
= F / Ao e = 375 Mpa / 0,0018 e = 208333 Mpa
c) La carga máxima que puede soportar una probeta cilíndrica con un diámetro original de 10 mm.
F = * Ao F = 650 Mpa * 10m2 x 10-4 F = 6,5 N
d). Deformación hasta la ruptura Según lo que se ve la resistencia a la ruptura es de casi un 0.0036 mm/mm.
f). El cambio en la longitud de una probeta originalmente de longitud 250 mm, la cual es sometida a una tracción de 575 MPa. ΔL = e * Lo ΔL = 0,10 * 250mm ΔL = 25mm
5) Los extremos de una barra cilíndrica de 10 mm de diámetro y 200 mm de largo se colocan entre soportes rígidos en una estructura. Considerando que la barra se encuentra libre de tensiones a una temperatura ambiente de 20 °C y que al enfriar a la temperatura de operación de -60 °C, la estructura solo puede soportar un esfuerzo térmico máximo de 138 MPa, entonces ¿con cuál material debería fabricarse la barra? Seleccione el material adecuado, revisando la siguiente tabla, donde se muestran las especificaciones de cada uno de ellos. Argumente adecuadamente su respuesta.
Material
Coeficiente expansión térmica
de
Módulo elástico E [MPa]
αl [(°C)-1 * 10-6] Aleación de aluminio
22,5
72.400
Latón
18,2
110.000
Acero 1040
12,5
270.000
Tungsteno
4,5
400.000
Como bien se sabe los sólidos se dilatan cuando se calientan y cuando se enfrían se contraen. Esta dilatación acarrea cambios importantes. Para la construcción de la barra el Tungsteno es el material más óptimo, ya que contiene un coeficiente de expansión menor y posee un módulo elástico superior al resto de los otros materiales.
6) Dados los siguientes valores para las propiedades de un acero tipo 4140: Tratamiento
Trabajado
en
Resistencia a la
Esfuerzo
de
Dureza
tracción (MPa)
fluencia (MPa)
(HB)
614
427
187
703
620
223
1172
1.096
341
Brinell
caliente Trabajado en frío Templado
y
revenido
Esto ocurre por las características del metal, además de los agentes propios de la naturaleza que realizan cambios constantes en los materiales ya sea por la temperatura el oxígeno o el agua como por ejemplo ocurre en la ductilidad, que es la propiedad de soport ar grandes deformaciones plásticas, la resistencia mecánica que hacen que los metales soporten grandes esfuerzos sin romperse
7) Para los siguientes mecanismos de deterioro ambiental de los materiales, complete la siguiente tabla:
Oxidación de metales Ejemplo de
Aire, humedad, temperaturas estos agentes tienen una evidente
oxidación
intervención en la corrosión de los materiales por ejemplo la oxidación en las estructuras de una casa
ocasionadas por la
humedad, temperaturas, oxígeno y lluvias. Mecanismo de
En este caso pasa el oxígeno por capas no protegidas para
oxidación
enfrentar la corrosión
-
Reacción de lo cationes difundidos con el oxígeno.
-
Reacción de los Iones difundidos por las estructuras de la casa
-
Reacción de oxidación al interior de las estructuras paredes.
Efectos de la
Se
queda
con
oxidación sobre
positivamente,
el material
negativamente para posteriormente ir cambiando su color original
se
menos
electrones
combinará
con
para un
quedar
átomo
no
cargado metálico
y su estructura Corrosión Ejemplo de
La corrosión es el ataque destructivo de un metal por reacción
corrosión
química o electroquímica con su medio ambiente
Tipo de corrosión
Corrosión por esfuerzo Corrosión erosiva Corrosión por desgaste
Efectos de la
Ocasiona un deterioro considerable en los materiales que afecta,
corrosión sobre el
los cuales con el tiempo, si no se tratan, inducen a una completa
material
destrucción, lo cual implica además considerables pérdidas económicas y demora la producción en la industria
Degradación de polímeros Ejemplo de
Son aquellos cambios significativos que experimenta en la
degradación
estructura química (pérdida de uno o más átomos de carbono en una cadena abierta o en un ciclo) bajo la acción de determinadas condiciones medioambientales, resultando en una pérdida de propiedades del material. Degradación térmica
Tipo de degradación
Degradación ultrasónica Degradación hidrolítica
Efectos
de
la
Los cambios que experimentan son la perdida de uno o más
degradación
átomos de carbono que se ocasionan por la acción de condiciones
sobre el material
específicas medioambientales.
Desgastes
Es aquel daño superficial sufrido por los materiales después de haber sido sometidos a una jornada de trabajo para su uso habitual
Ejemplo de
-
Por impacto
-
Por deslizamiento
-
Por cavilación
-
Erosión
-
Abrasivo
desgaste
Tipo de desgaste
-
Adhesivo
- Corrosión -
Fatiga de material
Efectos del
El resultado más próximo es la pérdida del material y la disminución
desgaste sobre el
de sus dimensiones las características propias de este. Por ende su
material
resultados son más bajos de lo que se espera del material afectado
Bibliografía
- (IACC 2018) Resistencia de los Materiales. Semana 1 al 8 2018
