Título de la tarea Proyecto final resistencia materiales Nombre Alumno Daniel Tapia Tello Nombre Asignatura Resistencia de los materiales Instituto IACC Ponga la fecha aquí 15/10/2017
Daniel tapia tello alumno ingeniería industrial Proyecto Final
Proyecto Final Resistencia de los Materiales
INSTRUCCIONES
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.
Bueno para empezar debemos considerar la utilización de la misma su propósito, en relación si es pensada para el público en general o bien está considerada para competición donde los requerimientos estructurales serán mayores.
Otra cosa que se debe tener en cuenta el peso que se requiere para la actividad con la que ha sido pensada, que permitirá un trabajo más ligero para los ciclistas.
También se debe tener en cuenta la calidad de los materiales que aseguren una durabilidad aceptable que permita evitar la corrosión o la oxidación de manera fácil.
Considerar de igual forma los costos en la producción de las misma es fundamental en el análisis de mercado.
Para terminar debemos considerar la calidad de los materiales y la resistencia de los mismo a la transición mecánica de cada uno por lo que es sumamente importante realizar el análisis correspondiente de diseño en do nde se vean los materiales más idóneos para el diseño y la resistencia esperada de cada uno.
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.
Acero: Posee una resistencia de gama alta a pesar de ser un material ligero. Posee además una elasticidad bastante buena que permite la resistencia de las estructuras. Tiene una tenacidad con enorme capacidad de impacto de energía. Su ductilidad es de gran envergadura permitiendo una gran deformación plástica antes de la ruptura. En sus desventajas podemos considerar, la corrosión como la principal desventaja que posee que es un inconveniente en la exposición del mismo. De igual forma genera temperaturas muy rápidamente lo que genera inconvenientes en ciertas situaciones
Aluminio: Como ventajas es relativamente más bajos en costos, es de un peso muy ligero, posee una gran durabilidad y resistencia a la corrosión, como desventajas posee una baja resistencia a la tracción, por lo que puede llegar a ser más frágil en la ruptura. por otro lado, genera temperatura muy rápidamente generando inconvenientes a los usuarios.
Titanio: Como ventaja podemos decir que es uno de los elementos más amigables con el medio ambiente. Posee una alta resistencia y durabilidad tanto a la fatiga como a la corrosión. En el caso de presentar rupturas el titanio no se puede soldar lo que es perjudicial y se considera como una desventaja.
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.
Fibra de carbono: Es utilizada muy comúnmente en la actualidad, ya que posee una mejor absorción de las imperfecciones de los terrenos, al no poseer fatiga en sus estructuras se le puede dar la forma que se determine.
Una tendencia en la actualidad es lo ecológico es por ello que se utiliza actualmente el bambú en la creación de bicicletas ecológicas en la busca de una resistencia apropiada de los materiales pero sin generar daños al medio ambiente.
Otro compuesto utilizado en la actualidad son las bicicletas de fibra de vidrio, ya que son aún más manejables en su fabricación y son del tipo ecológicas también así poder ayudar al medioambiente también y son livianas para su transporte.
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.
Primeramente debemos conocer el volumen de la barra cilíndrica que seria
V = PI x R 2 x H = Pi x (2cm)2 (20 cm) = 251 cm3 Posterior aplicamos la fórmula para conocer densidad donde D = M / V 493 g / 251 cm 3 = 1,96 g / cm3 como densidad del material
b) Si la barra está elaborada con bronce, acero o aluminio.
Esta echa de acero ya que está presente una deformación cerca de los 800 Mpa lo que nos da un indicio de ser aceros.
c) Qué tipo de fractura espera que tenga el material.
Se considera una fatiga de material ya que la pieza fue expuesta por un periodo prolongado a un esfuerzo lo que provoco una deformación plástica concluyendo con una fatiga de material.
d) Cuál es la dureza Brinell aproximada de la barra.
Aplicamos la fórmula de dureza aproximado resultando HB = 31,41
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:
En este caso se encuentra en una fase solida con una composición de 20 % de Mgo y 80 % de Feo
b) MgO – 40% FeO:
En este caso se encuentra en una fase de intervalos de solidificación con un 40 % de Mgo y 80 % de Foe
c) MgO – 60% FeO:
En este caso se encuentra en una fase de intervalos de solidificaron con un 60 % de Mgo y 40 % de Feo
d) MgO – 80% FeO:
En este caso se encuentra en un estado líquido de 80 % de Mgo y 20 % de Feo
La cantidad de porcentaje de cada uno de las faces corresponde a :
Caso (A) en el caso de Mgo al 20 % se tiene una sola fase por tanto es 100 % solida
Caso (B) solido = 38 % -------- % S = 63 – 40 / 63 – 38 x 100 = 92 % L = 62 % -------- % L = 40 – 38 / 63 - 38 x 100 = 8 %
Caso ( C ) S 62 % ------ % S = 60 – 38 / 62 – 38 x 100 = 91,7 % L 38 % ------ % L = 62 – 60 / 62 – 38 x 100 = 8,3 %
Caso (D) se encuentra en un fase en un estado 100 % liquido
4) Dada la curva del siguiente
gráfico:
Luego, determine:
a) El módulo de elasticidad.
Se tiene que E = O/e = 225 Mpa / 0,0018 = 125000 Mpa
b) La resistencia a la fluencia compensada para una deformación del 0,002.
La línea que corresponde a una deformación del 0,002 se ve en el grafico insertado por lo que con la curva de tensión – deformación es igual a una aproximación de 50 Mpa
c) La resistencia a la tracción.
Corresponde al punto máximo alcanzado por la curva de esfuerzo antes de descender y en este caso es representada en 360 Mpa
d) Deformación hasta la ruptura.
Corresponde a 0,38 mm hasta la ruptura
e) La carga máxima que puede soportar una probeta cilíndrica con un diámetro original
de 10 mm.
Se calcula mediante la formula de esfuerzo F = o x A = (650 Mpa) x ( π D 2 / 4 ) = 650 Mpa x ( 78,53 mm2) / 104 mm2 / m2 = 5,10 N
f) El cambio en la longitud de una probeta originalmente de longitud 250 mm, la cual es
sometida a una tracción de 575 MPa.
Es necesario determinar la deformación que corresponde aproximadamente a 0,11 ya con ese dato tenemos: AL = e x L = (0,11) (250 mm) = 27,5 mm
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.
Coeficiente de expansión
Módulo
térmica
elástico
Material αl
[(°C)-1 * 10-6]
E [MPa]
Aleación de aluminio
22,5
72.400
Latón
18,2
110.000
Acero 1040
12,5
270.000
Tungsteno
4,5
400.000
Bueno para esto ocupamos la fórmula para el esfuerzo térmico que nos permitirá descubrir cual material es el adecuado, teniendo lo siguiente:
(20) - / (-138) / (270000 x 103) ( 12,5 x 10-6) / 1 = 60 Arrojando la temperatura de trabajo demostrando que el acero 1040 es el apropiado para crear la barra.
6) Dados los siguientes valores para las propiedades de un acero tipo 4140:
Tratamiento
Resistencia a
Esfuerzo de
la tracción
fluencia
(MPa)
(MPa)
Dureza Brinell (HB)
614
427
187
Trabajado en frío
703
620
223
Templado y revenido
1172
1.096
341
Trabajado en caliente
Indique:
a) Las razones por las cuales ocurren los cambios en la resistencia a la tracción, el
esfuerzo de fluencia y la dureza del material dependiendo del tipo de tratamiento.
Resistencia a la tracción en trabajo en caliente varia en cuanto a los demás ya que ocurre una modificación del mismo por sobre la temperatura de la re cristalización Mejorando su gran aje. En el caso de los trabajos en fríos se pierde la ductilidad del producto afectan inmensamente la resistencia del mismo. En el caso del trabajo templado es uno de los trabajos más antiguos que existen que permiten mejorar la resistencia de los metales gracias al cambio de temperatura que ocurre de muchos grados, bajándola de golpe lo que permite el proceso de templado mejorando su resistencia.
Esfuerzo de fluencia como nos indica la capacidad máxima del metal antes de sufrir una deformación plástica, nos indica que para cada uno de los tratamientos presentados y se presenta un cambio ya qu e el metal ha sido tratado con distintos procesos aumentando su capacidad de esfuerzo gracias a las modificaciones estructurales que evidencian mayor capacidad para cada uno de los procesos presentes.
La dureza es uno de los ejemplos claros que cada uno de los tratamientos del acero sea en caliente, frio o por templado entregan diferentes resultados para cada uno de los objetivos en donde el tratamiento frio arroja una menos dureza que en el tratamiento en caliente, pero donde el trabajo de templado entrega una mayor dureza gracias a su proceso de cambio de temperatura de golpe que permite el ordenamiento atómico de las partículas para generar cadenas más estrechas pero más resistentes y con una dureza mayor.
b) Mencione un ejemplo de aplicación industrial para cada uno de los tratamientos
indicados.
Acero 4140 tratamiento en caliente, se utiliza en la creación de bolas para los molinos de bolas de diámetro de 2,5 cm que requieren una dureza apropiada para nuestra molienda de mineral en la industria minera específicamente en división salvador.
Acero 4140 tratamiento en frio es utilizado en planchas determinadas que permiten un costo menor sin desperdiciar las propiedades del acero.
Tratamiento de templado al mejorar sus capacidades en gran manera es utilizado en materiales que requieran mayor ductilidad y durez a como por ejemplo los arboles de levas.
7) Para los siguientes mecanismos de deterioro ambiental de los materiales, complete la
siguiente tabla:
Oxidación de metales Ejemplo de oxidación Plancha diamantada de pisos de plantas industriales Mecanismo
Una capa no porosa de oxidación no protector que actúa con el
de oxidación
oxigeno
Efectos de la
Comienza a formarse una capa que carcome la plancha
oxidación sobre el
adelgazándola y apolillándola por completo lo que requiere de la
material
sustitución de la misma Corrosión
Ejemplo de corrosión Ocurre en el acero común de un marco de bicicleta Tipo de corrosión
Corrosión acuosa por la exposición a las lluvias constantes
Efectos de la
Sufre un proceso de deterioro en lugares focalizados corroyendo
corrosión sobre el
la pieza, llegando a adelgazarla por completa
material Degradación de polímeros Ejemplo
Cañerías expuestas de traslado de líquidos
de degradació n Tipo de degradación Tipo de hidrolisis y envejecimiento Efectos de la
Rotura de la cañería presentada con problemas en los tramos
degradación sobre
expuestos a las condiciones ambientales , en conjunto se produce
el material
una deformación de la cañería presente ya que por el envejecimiento se tornan mas delicadas en su tratamiento Desgaste
Ejemplo de desgaste
Pistón de motor
Tipo de desgaste
Adhesivo
Efectos del
Ralladura de la pieza del motor por uso inadecuado de aceites que
desgaste sobre el
generan residuos por la viscosidad incorrecta dañando la pieza
material
con rayados.
