TRABAJO DE PROPIEDADES PROPIEDADES DE DISEÑO DE LOS MATERIALES MATERIALES
POR: JUAN MIGUEL CARRASCAL CUSTODIO MADERA BERROCAL
ING. ROBINSON MARTINEZ
RESISTENCIA DE MATERIALES I
FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIAS INGENIERIA MECANICA
UNIVERSIDAD DE CORDOBA
2-1 Mencione cuatro clases de metales comúnmente utilizados para miembros sometidos carga. Aceros, hierro hierro fundido, fundido, aluminio, aluminio, cobre, latón y bronce. bronce.
2-2 Mencion Mencione e 11 factores factores que deben deben consider considerars arse e cuando cuando se selecci selecciona ona un material para un producto. La selección de un material requiere la consideración de muchos factores, tales como: osto #enacidad a la fractura %oldabilidad 'stabilidad
!igidez Maquinabilidad
"uctilidad Mane$abilidad
!esistencia Apariencia
&eso "isponibilidad
2-3 "efina resistencia m()ima a la tensión. La resistencia m()ima m()ima a la tensión es la tensión m()ima alcanzada o el *alor m(s alto del esfuerzo aparente en la cur*a de tensión +deformación.
2-4 "efina punto de cadencia. 'l punto de cedencia es el *alor de esfuerzo en la cur*a de esfuerzo+deformación donde e)iste un incremento significati*o de la deformación con poco o ningún incremento del esfuerzo.
2-5 "efina resistencia a la cedencia. La resistencia a la cedencia es el *alor de esfuerzo, en la cur*a de esfuerzo deformación, al cual una lnea recta trazada desde un *alor de deformación de -.-- in/in 0o m/m y paralela a la parte recta de la cur*a de esfuerzo+deformación corta la cur*a.
2-6 2u(ndo se utiliza la resistencia a la cedencia en lugar del punto de cedencia3 uando los metales no e)hiben un punto de cedencia bien definido como por e$emplo los aceros aleados de alta resistencia, aluminio y titanio. 4Estos materiales en realidad sí ceden, en el sentido de que se deforma una cantidad apreciable antes de que de hecho se fracturen. Para estos materiales, un diagrama de esfuerzo–deformación típico se vería como una curva uniforme sin
ningún punto de cedencia pronunciado. Para materiales como ésos, una línea traz trazad ada a para parale lela la a la part parte e de líne línea a rect recta a de la curv curva a de ensa ensao o defi define ne la resistencia a la cedencia. El punto donde la línea de desviación corta la curva, define la resistencia a la cadencia del material, Por eso se utiliza la resistencia a la cedencia en lugar del punto de cedencia para estos materiales 5 0 tomado! "obert #. $ott, "esistencia de $ateriales, Ed. %! P&g. %'(%)*
2- "efina rigidez. La rigidez es una medida cualitati*a de la resistencia a las deformaciones el(sticas prod produc ucid idas as por por un mate materi rial al,, que que cont contem empl pla a la capa capaci cida dad d de un elem elemen ento to estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones.
2-! 26u7 propiedad de un material es una medida de su rigidez3 La rigi rigide dez z de un mate materi rial al es una una func funció ión n de su módu módulo lo de elas elasti tici cida dad, d, en ocasiones llamado módulo de 8oung.
2-" 'nuncie la ley de 9ooe. La Ley de 'lasticidad de 9ooe o Ley de 9ooe, formulada en un principio para casos de estiramiento longitudinal, y establece que el alargamiento unitario ; de un material el(stico es directamente proporcional a la fuerza aplicada <. "onde =: alargamiento longitudinal, L: Longitud original, ': módulo de 8oung o módulo de elasticidad, A: sección sección trans*ersal trans*ersal de la la pieza estirada. La Ley de 9ooe se aplica a materiales el(sticos hasta el lmite denominado lmite de elasticidad. La cons constan tante te de prop proporc orcion ional alida idad d entre entre ambos ambos par( par(met metro ros s es el Módulo Módulo de 'lasticidad o tambi7n Módulo de 8oung, y suele representarse por la letra '. "e manera algebraica, esta proporcionalidad se e)presar( como: > ? '@;. 'sta e)presión es la denominada Ley de 9ooe, y sólo es aplicable a ciertos materiales 0el(sticos de 9ooe y dentro de los lmites ya referidos. 'sta 'sta ley supo supone ne que, que, si la tensi tensión ón desap desapare arece, ce, la forma forma del del ob$et ob$eto o retor retorna na e)ac e)acta tame ment nte e a la orig origin inal al,, o bien bien,, si esta esta tens tensió ión n se redu reduce ce a la mita mitad, d, la deformación 0alargamiento o retracción se reduce igualmente e)actamente a la mitad
2-1# 26u7 propiedad de un material es una medida de su ductilidad3 'l porcenta$e de alargamiento es una medida de la ductilidad de un material y se define define como como la relación relación del alargami alargamiento ento pl(stico pl(stico de una probeta probeta sometida sometida a tensión, despu7s de la falla final dentro de un con$unto de marcas de calibración, a la longitud original entre las marcas de calibración.
2-11 2u(ndo se clasifica un material con respecto a si es dúctil o fr(gil3 n mate materi rial al dúct dúctil il es aque aquell que que pued puede e ser ser alar alarga gado do,, form formad ado o o esti estira rado do significati*amente antes de que se fracture. n metal que e)hibe un porcenta$e de alargamiento de m(s de B.-C se considera dúctil. n material fr(gil es uno que falla de repente ba$o carga con poca o ninguna deformación pl(stica. n metal que e)hibe un porcenta$e de alargamiento menor al B.-C se considera fr(gil.
2-12 Mencione cuatro tipos de aceros. Aleaciones Aleaciones de acero acero comunes comunes y usos usos tpicos: tpicos: Acero AD%D AD%D núm. sos #picos #picos 1-Acero estructural, barras, placa 1-E&artes de maquinaria, flechas 1-B&artes de maquinaria 1-JB 9erramientas, resortes
2-13 26u7 significa la designación AD%D E1F- para un acero3 Garias asociaciones industriales son responsables de establecer est(ndares para la clasificación de metales y aleaciones. ada una dispone de su propio sistema de numeración, con*eniente para el metal particular amparado por el est(ndar. %e ha puesto orden en la clasificación de metales con el uso del %istema nificado de Humeración 0H%, por sus siglas en ingl7s. Adem(s de registrar los materiales ba$o el control de A%#M, el H% coordina la designación de 0AD%D que significa American Dron Dron and %teel %teel Dnstitute, Dnstitute, en espaIol espaIol es 4Dnstituto 4Dnstituto americano americano del hierro hierro y el acero5 n Acero AD%D es un acero al carbón y aleado y la serie E1F- define a los dos primeros dgitos como los principales elementos de aleación y los dos últimos como el contenido de carbón presente en la aleación. Asi: AD%D E1F- es un acero al carbón y aleado de Molibdeno Molibdeno y romo como elementos de aleación y con -.F-C de carbón. cadencia y el porcenta$e 2-14 2uales son la resistencia ultima, la resistencia a la cadencia de alargamiento de un AD%D 1-E- laminado en caliente, es dúctil o fr(gil3 AH%D 1-E- laminado en caliente: caliente: %u? J- si 0K1 Mpa, %y % y ? K- si 01EE Mpa, BC de alargamiento, como es mayor al ,BC es dúctil.
2-15 2ual es m(s dúctil, un acero AD%D 1-- o 1-E- laminados en caliente3 1-- 9ot !olled: FKC alargamiento, es m(s dúctil 1-E- 9ot !olled: BC alargamiento signi fica AD%D 11E1 N6# --3 2-16 26ue significa 's un materi material al de alto alto sulfu sulfuro ro,, con con -,E1C -,E1C de carb carbono ono en su conce concentr ntrac ación ión,, templado en aceite a -- O<
2-1 %i la resistencia a la cedencia requerida de un acero es de 1B- %D 2&odra utilizarse el AD%D 11E13 2&or qu73 'n general el AD%D 11E1 no, ya que son *arios y no todos cubren este requisito, solo el AD%D 11E1 N6# --
2-1! 2u(les el Módulo de 'lasticidad del acero AD%D 11E13 2"el AD%D B1K-3 F-,---,--- lbs/inP, 0- Q&a #ensión y 11,B--,--- lbs/inP, 0R- Q&a ortante
2-1" na barra rectangular de acero mide 1 in. por E in por 1E.B in. 2u(l es su peso en libras3 S ? "ensidad T Golumen ? 0-.RF lb/inUF01TET1E.BnUF ? 1K.E Lbs.
2-2# na barra circular mide B- mm de di(metro y B- mm de longitud 2u(nto pesa en neVton3 %uponiendo que es de hierro colado de densidad ? KJ- g/mW 'l *olumen de una barra circular es igual a: 0&iTdi(metroU/E 'l peso de la barra est( dado por: S ? G ) d ? EJ-,RB mmW ) KJ- g/mW / 1-,---,--- mmW/ MW ? F.E gs. %uponiendo 9ierro olado < ? m ) g ? F.E gs. X J.R1 m/segP ? FF.FB H fuerza de E-- H a una barra de titanio y a una barra id7ntica 2-21 %i se aplica una fuerza de magnesio 2u(l se alargara m(s3 'l Magnesio, ya que se estira o deforma en mayor medida que el titanio al aplicar la fuerza mencionada. 'n los diagramas esfuerzo deformación de estos materiales se percibe.
2-22 2Mencione cuatro tipos de aceros estructurales y de el punto de cendescia de cada uno3 A%#M AFK Y ER Mpa, A%#M AE AE Y FEB Mpa, A%#M A%#M AB1E AB1E + KJ- Mpa, A%#M A%#M AB + EEJ Mpa
2-23. 26u7 significa la designación K-K1+#K de una aleación de aluminio3 'l alumin aluminio io K-K1Y K-K1Y#K #K es ideal ideal para para la elabo elabora ració ción n de piez piezas as maquin maquinada adas s con calidad de e)celencia y para traba$os que requieran buen acabado superficial. &osee e)celente resistencia a la corrosión y acabado adem(s de facilidad de soldadura y una resistencia parecida a la del acero. 'sta es una aleación de propósito general muy popular con buena facilidad de maquinado a pesar de su tratamiento de en*e$ecimiento artificial 0#K. 9aga una lista de la resistenc resistencia ia m()ima, m()ima, la resiste resistenci ncia a a la cedencia, cedencia, el 2-24. 9aga módulo de elasticidad y la densidad de aluminio K-K1+N, K-K1+#E y K-K1+#K.
6#61-O: 'l K-K1 K-K1 recoc recocido ido,, deno denomin minad ado o K-K1 K-K1YY- prese presenta nta su m()ima m()ima resist resistenc encia ia a la tracción a 1B 1B M&a y su lmite lmite el(stico el(stico a BB M&a. M&a. 'l mate materi rial al e)pe e)peri rime ment nta a una elongación entre elongación entre el B y F-C.
6#61-T4: La forma templada #E templada #E de la aleación tiene una resistencia m()ima a la tracción de - M&a y un lmite el(stico de 11- M&a con una elongación en su longitud del 1KC.
6#61-T6: La forma templada #K presenta una resistencia m()ima a la tracción de J- M&a y un lmite el(stico de E1 M&a. Ntros *alores que pueden alcanzarse son F1M&a y B M&a respecti*amente. E 'n formas de K.FB mm o menor sección, la elongación es del RC o m(sZ en secciones mayores la elongación ronda el 1-C. La forma templada #KB1 tiene propiedades mec(nicas similares.
2-25. Mencione cinco usos del bronce. 'l bronce bronce es utilizad utilizado o princip principalme almente nte para para aplicac aplicacione iones s en caIera caIeras, s, herra$es herra$es artsticos, chapas, carpintera met(lica y en la fabricación de elementos cubiertos con nquel o cromo. na de sus aplicaciones m(s comunes era la fabricación de
monedas hacia el aIo de 1JB-, donde los centa*os de B, 1- y - eran elaborados elaborados de cobre y aluminio, creando una apariencia de centa*os dorados.
2-26. Mencione tres caractersticas deseables del titanio en comparación con el aluminio o acero. aractersticas del #itanio: • • • • •
&ermite fresado qumico. "úctil, "úctil , permite la fabricación de alambre delgado. alambre delgado. "uro. 'scala de Mohs K. &ermite la fabricación de piezas por fundición y fundición y moldeo. moldeo. Mantiene una alta memoria de su forma.
2-2. Mencione cinco *ariedades de hierro fundido. La
2-2! 26u7 tipo de hierro fundido normalmente se considera que es fr(gil3 %i el enfriamiento es r(pido se obtiene hierro colado blanco, en el cual el carbono se encuentra combinado en granos de carburo de hierro o cementita,
resistencias m()imas a tensión y a compresión compresión de hierro fundido 2-2"2u(les las resistencias A%#M AER grado E-3 E-3
&ropiedades según la A%#M AER para las clases de
!esistencia la tracción
a !esistencia la compresión
a Módulo 0'
de
tracción
-
si 01B1 M&a
FF si 0 M&a
1- \ 1-K psi 0KJ Q&a
F-
F1 si 01F M&a
1-J si 0B1 M&a
1E \ 1-K psi 0JK Q&a
E-
B si 0FJF M&a
1E- si 0JKB M&a
1R \ 1-K psi 01E Q&a
K-
K,B si 0EF- M&a
1R,B si 1J M&a
1 \ 1-K psi 01EE Q&a
2-3#. 2ómo difiere un hierro dúctil de un hierro gris3 %egún el contenido en carbono, las propiedades del hierro cambian dr(sticamente. 'l hierro fundido 0arrabio que se obtiene del horno alto se *ierte en moldes y se
deno denomin mina a hierr hierro o en lingo lingotes tes,, aleac aleación ión con con un FYBC FYBC de carbono y cantida cantidades des *ariables 0hasta un BC en con$unto de azufre, azufre, silicio, silicio, manganeso y manganeso y fósforo. fósforo . La purificación parcial con aire produce hierro colado uando este hierro colado reci7n solidificado se enfra lentamente, el carbono sale de la solución sólida como grafito y grafito y se obtiene hierro colado gris, que es relati*amente blando y tenaz. 'l hierro for$ado contiene unas pocas d7cimas por ciento de carbono, es duro, mal maleab eable, men menos fusib usible le que el pur puro y tien tiene e una estru tructur tura fibr ibrosa. %i del arrabio se elimina algo de carbono y se adicionan metales como manganeso, manganeso , cromo, cromo, nquel, nquel , Volframio, Volframio , molibdeno, molibdeno , *anadio, *anadio , se obti obtien ene e una una mezcla que es m(s fuerte y que se denomina acero 0hasta 1,BC de carbono.
2-32 2u(l es el inter*alo normal de resistencias a la compresión del concreto3 'l rango normal de la resistencia a la compresión del concreto puede *ariar desde B-- psi 01 M&a para concreto residencial residencial hasta E--- psi 0R M&a y m(s para estr estruc uctu tura ras s come comerc rcia iale les. s. &ara &ara dete determ rmin inad adas as apli aplica caci cion ones es se espe especi cifi fica can n resistencias superiores a 1---- psi 0- M&a y m(s.
2-33. "escriba la diferencia entre materiales termopl(sticos y termofraguados
.
n termopl(stico es un pl(stico el cual, a temperatura ambiente es pl(stico o deformable, se derrite a un lquido cuando es calentado y se endurece en un estado *treo cuando cuando es suficientemente suficientemente enfriado. Los pl(sticos termoestables termoestables son polmeros infusibles e insolubles. La razón de tal comportamiento estriba en que las cadenas cadenas de estos estos material materiales es forman forman una red tridimen tridimension sional al espaci espacial, al, entrelaz(ndose entrelaz(ndose con fuertes enlaces co*alentes. La estructura estructura as formada toma el aspecto aspecto macroscópic macroscópico o de una única única mol7cula mol7cula gigant gigantesca esca,, cuya cuya forma forma se fi$a permanentemente, debido a que la mo*ilidad de las cadenas y los grados de libertad para rotación en los enlaces es pr(cticamente cero.
2-34. Hombr Hombre e tres tres pl(st pl(stico icos s adec adecua uados dos para para utili utilizar zarse se en la fabr fabrica icaci ción ón de engranes o le*as en dispositi*os mec(nicos . Hylon, fenólicos, acetales rellenos de #<'
2-35. "escriba el t7rmino compuesto
'lementos o sustancias creadas a partir de dos o m(s materiales
2-36. Hombre cinco tipos b(sicos de materiales que se utilizan como matriz de materiales compuestos . &olmeros termopl(sticos &olmeros termoendurecibles er(micas y *idrio arbono y grafito Metales: aluminio, magnesio, titanio
2-3. N$%&'( )*+)$ ,('%$/0,*)$0 *0,*+,$0 ( 0( ,**+ )$%$ %,'*)(0 ( %,('*(0 )$%(0,$0 . #ermopl(sticos: polietileno, nylon, polipropileno, poliestireno, poliamidas
2-3!. N$%&'( N$%&'( ,'(0 /0,*)$ /0,*)$0 0 ,('%$(+ ,('%$(+'()* '()*&(0 &(0 *0,*+,$0 *0,*+,$0 ( 0( ,**+ ,**+ )$%$ %,'*)(0 ( %,('*(0 )$%(0,$0. #ermoendurecibles: poli7ster, epo)io, polimida fenólica
2-3". N$%&'( ,'(0 %(,(0 ,**$0 )$%$ %,'* ( %,('*(0 )$%(0,$0 . Metales: aluminio, magnesio, titanio
2-4#. "escriba nue*e formas que pueden adoptar los materiales de relleno al utilizarse en materiales compuestos. 1Y ordo ordone nes s de fibr fibras as cont contin inua uas s comp compue uest stos os de much muchos os fila filame ment ntos os indi*iduales unidos entre s. Y ordones ordones cortos cortos 0de -,B a B- mm o -,-F a ,-- pulgadas pulgadas FY ordon ordones es esparci esparcidos dos al azar azar en forma de de tapete. tapete. EY 9aces 9aces de cordo cordones nes paralel paralelos. os. BY Materia Materiall entrete entrete$ido $ido de cordo cordones nes KY
Hombre e siete siete tipos tipos de mater material iales es de relle relleno no utili utilizad zados os para para mater material iales es 2-42. Hombr compuestos.
1Y Y FY EY BY KY Y
2-43. Hombre cinco tipos distintos de rellenos de fibras de *idrio utilizados para materiales compuestos y describa las principales caractersticas de cada uno. Y
2-44. 2u(l de los materiales de relleno m(s comunes tiene la mayor rigidez3 "e los materiales de relleno m(s comunes el que tiene la mayor rigidez son las fibras de grafito, con m(s de JJC de carbono y un módulo de elasticidad aún m(s ele*ado que el carbono. %on las fibras m(s rgidas que se utilizan tpicamente en los materiales compuestos.
2-45. 2-45. 26u7 materiales de relleno deben considerarse para aplicaciones a altas temperaturas3 "eben considerarse para aplicaciones a alta temperatura los siguientes materiales de relleno: • •
•
•
2-46. 2u(l es una marca comercial común de las fibras aramidicas3
Home), e*lar son marcas registradas de un material de aramda resistente a las llamas desarrollado a principio de la d7cada de los aIos 1JK- por "u&ont.
2-4. "efina la resistencia especifica de un material compuesto. La resistencia especifica es la razón entre la resistencia a la tensión de un material y su peso especfico.
2-4!. "efina el modulo especifico de un material compuesto. 'l modulo especifico es la razón entre el módulo de elasticidad de un material y su peso especfico.
2-4". 9aga una lista de diez *enta$as de los materiales compuestos al compararlos con los metales. •
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Las resistencias especficas de los materiales compuestos pueden *ariar hasta en cinco *eces respecto a las aleaciones del acero de alta resistencia Los *alores *alores de los módulos módulos especf especficos icos de los material materiales es compuest compuestos os pueden ser hasta R *eces los *alores de las aleaciones de acero, de aluminio o de titanio. Los materiales compuestos tpicamente fusionan me$or que el acero o el aluminio en aplicaciones donde e)isten cargas cclicas que producen el potencial de fractura por fatiga. "ond "onde e se espe esperan ran cargas cargas de impact impactos os y *ibra *ibraci cione ones, s, los materi material ales es compues compuestos tos pueden pueden formula formularse rse de manera manera especia especiall con material materiales es que proporcionan alta resistencia y un alto ni*el de amortiguación. Algunos materiales compuestos tienen mayor resistencia al desgaste que los metales. na na cuidad cuidados osa a selec selecció ción n de la matriz matriz y el mater material ial de relle relleno no pued pueden en proporcionar una resistencia superior a la corrosión. Los cambios cambios dimensio dimensionale nales s causad causados os por cambios cambios de temperat temperatura ura en general son menores en los materiales compuestos que en los metales. "ebi "ebido do a que que los los mate materi rial ales es comp compue uest stos os tien tienen en mate materi rial ales es que que son son altamente altamente direccionales, direccionales, los diseIadores diseIadores pueden planificar la colocación colocación de fibra fibras s de refue refuerzo rzo en las las direcc direccio iones nes que que prop proporc orcion ionen en la rigide rigidez z y la resistencia requerida en las condiciones especficas de cada carga. on frecuencia pueden hacerse estructuras de formas comple$as de una sola sola piez pieza, a, redu reduci ci7n 7ndo dose se de este este modo modo la cant cantid idad ad de piez piezas as de un prod product ucto o y el núme número ro de oper operaci acione ones s de su$eci su$eción ón que que se requ requier iere. e. La elim elimin inac ació ión n de $unt $untas as,, en gene genera ral, l, me$o me$ora ra la conf confia iabi bili lida dad d de esta estas s estructuras.
•
's caracterstico caracterstico de las estructuras estructuras compuestas salgan directamente en su forma final o casi final, por lo que se reduce la cantidad de operaciones secundarias requeridas.
2-5#. 9aga una lista de nue*e limitaciones de los materiales compuestos. •
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Los costos de materiales compuestos son especial mayores que los de muchos materiales alternati*os. Las t7cnicas de fabricación son bastante distintas de las que se utiliza para darl darles es form forma a a los los meta metale les. s. &ued &ueden en requ requer erir irse se un nue* nue*o o equi equipo po de fabri fabrica cació ción, n, $unto $unto con con capac capacita itació ción n adici adicion onal al para para las las oper operaci acion ones es de producción. 'l compo comport rtami amient ento o de los produ producto ctos s hecho hecho con con alguna algunas s t7cnic t7cnicas as de producción de materiales compuestos est( su$eto a un mayor rango de *ari *ariab abil ilid idad ad que que para para la may mayora ora de las las t7cn t7cnic icas as de fabr fabric icac ació ión n de materiales. Los lmites de temperatura de operación para los materiales compuestos de matriz polim7rica son en general de K-O. Las propiedades de los materiales compuestos no son isotrópicas. 'sto significa que las propiedades *aran dram(ticamente con la dirección de las carg cargas as apli aplica cada das. s. Los Los dise diseIa Iado dore res s debe deben n toma tomarr en cuen cuenta ta esta estas s *ariaciones para garantizar la seguridad y una operación satisfactoria en todo tipo de cargas. 'n la actualidad, hay una falta general de compresión del comportamiento de los materiales compuestos y los detalles de la predicción de modos de fractura, aunque se han hecho grandes progresos en ciertas industrias. 'l an(lisis de estructuras compuestas requiere un detallado conocimiento de m(s propiedades de materiales de lo que se requerira para metales. La inspección de pruebas de las estructuras compuestas con, en general, m(s complicadas y menos precisas que las de estructuras met(licas. La preparación y mantenimiento de las estructuras compuestas son una gra*e gra*e preocup preocupació ación. n. Algun Algunas as de las t7cnica t7cnicas s de producci producción ón requiere requieren n condiciones especiales de temperatura y presión que difcilmente pueden reproducirse en el campo cuando se requiere la reparación de daIos.
2-51. on los datos de los materiales seleccionados en la tabla YK, haga una lista de diez materiales, materiales, en orden decreciente decreciente de resistencia resistencia especifica. &ara cada uno calcule la razón de su resistencia especfica y la del acero AD%D 1-- 9!. MA#'!DAL'% Mate ateria rial com comp pues uesto de de gr grafito ito/epo) po)io.
MN"LN '%&'D
Material compuesto aramida/epo)io. Material co compuesto de de bo boro/epo)io.
E.-'K F.K-'K .K'K 1.R'K 1.--'K -.JJ'K -.JJ'K -.R'K -.R'K -.EBJ'K -.EBJ'K -.1JE'K -.1JE'K
2-52. on los datos de los materiales seleccionados en la tabla YK, haga una lista de diez materiales, en orden decreciente del módulo especifico. &ara cada uno calcule la razón de su módulo especfico y la del acero AD%D 1-- 9!.
MA#'!DAL'% Material compuesto de grafito/epo)io Material compuesto boro/epo)io. fibra K-C Mate ateria rial com comp pues uesto de de gr grafito ito/epo) po)io.
MN"LN '%&'D
2-5 2-53. "escrib "escriba a un laminado laminado unidirec unidireccion cional al y sus caracte caracterst rsticas icas general generales es de resistencia y rigidez.
L%*+$ L%*+$ +**'()) +**'())*$+ *$+:: %e conoce como la aplicación de *arias capas del prepa prepara rado do una una sobr sobre e la otra. otra. "ond "onde e todas todas las las fibras fibras est(n est(n aline alinead adas as en la dirección de la carga de tensión esperada. 'ste proceso se realiza para obtener resistencia y rigidez m()ima en una dirección en especfico.
2-54. "escriba "escriba un laminado cuasiYisotrópico, cuasiYisotrópico, y sus caractersticas caractersticas de resistencia resistencia y rigidez.
&ara &ara super superar ar la falta falta de resis resiste tenci ncia a y rigide rigidez z desce descentr ntrada ada,, las estruc estructur turas as laminadas deben hacerse con una *ariedad de orientaciones en sus capas. La simetra y el balance de este tipo de t7cnica de capas resulta en propiedades casi uniformes en dos direcciones el t7rmino utilizado para describir estas estructuras es cuasiYisotrópico.
2-55 2-55.. ompare la resistencia especfica y caractersticas de rigidez que por lo gene genera rall se espe espera ran n unidireccional.
#ipo de laminado nidireccional uasiYisotrópico
de
un lami lamina nado do cuas cuasiY iYis isot otró rópi pico co con con
!esist istenc encia a la tensió nsión n longitudinal trans*ersal -B RR-
un lami lamina nado do
Mód Módulo de ela elastici ticid dad Longitudinal trans*ersal 1 1.K R R
Las unidades de las mediciones anteriores se encuentran en si.
2-5!. "efina el termino fracción de *olumen de fibras para un material compuesto. 'l termino fracción de *olumen de fibra se refiere al *olumen relati*o del material compuesto hecho de fibras.
2-5". "efina el termino fracción de *olumen de matriz para un material compuesto. 'l termino fracción de *olumen de matriz se refiere al *olumen relati*o del material compuesto hecho de matriz.
2-6#. %i un compuesto tiene una fracción de *olumen de fibras de -.K-, 2u(l es la fracción de *olumen de la matriz3 Gm?1YGf Gm?1Y-.K-
Gm?-.E !K1/ %uc?%ufTGf`>mTGm
'scriba la ecuació ecuación n para para la resisten resistencia cia ultima ultima espera esperada da de un materia materiall 2-61 2-61.. 'scriba compuesto en función de las propiedades de sus materiales de matriz y de relleno. &atrón de relación del esfuerzo general en el material del compuesto, compuesto, esfuerzo de fibras y el esfuerzo en la matriz: σ c = σ f v f + σ m v m s uc =s uf V f + σ m ' v m
2-62. 'scriba las ecuaciones para la regla de mezclas tal como se aplica a un material compuesto unidireccional para el esfuerzo en el compuesto, su módulo de elasticidad, su densidad y su peso especfico. 'cuaciones para la regla de mezclas para un material compuesto unidireccional. •
'sfuerzo en el compuesto:
σ c = σ f v f + σ m v m
•
Módulo de elasticidad:
Εc = Ε f v f + Εm v m
•
"ensidad:
ρc = ρ f ν f + ρm ν m
&eso especfico:
•
γ c =γ f ν f + γ m ν m
2-63. alcule las propiedades de resistencia ultima, módulo de elasticidad y peso espe espec cfi fico co que que se esper speran an de un mate materi rial al comp compue uest sto o hecho echo de hebra ebras s unidireccionales hecho de fibras de carbonoY&AH de alta resistencia en una matriz epo)ica. La fracción de *olumen de las fibras es del B-C. alcule la resistencia y la rigidez especfica, utilice datos de la tabla YR. "atos: s um=18 Ksi
MatrizYepo)io:
Em
6
0.56 × 10
=
psi
γ m=0.047
s uf = 820 Ksi
Lb pul g
3
6
Ef = 40 × 10 psi
Lb pul g
3
V m= 0.50
!esistencia ultima a la tensión: s uc =s uf V f + σ m ' v m σ m '
&ara &ara obtene obtenerr el
, primero debemos obtener la deformación a la que se s uf
frac fractu tura rar ran an las las fibr fibras as a
. %upon %uponga gamos mos que que las fibras fibras son son linea linealme lmente nte
el(sticas a la fractura. 'ntonces: ε f =
s uf E f
3
ε f
=
820 × 10
6
40 × 10
psi psi
=
0.0205
A esta misma deformación, deformación, el esfuerzo esfuerzo en en la matriz matriz es:
6
σ m = Em ε f =( 0.56 × 10 psi)( 0.0205)= 11480 psi
Ahora: 3
3
s uc =(820 × 10 psi )( 0.50 )+( 11480 psi )( 0.50)= 415 × 10 psi
'ntonces el módulo de elasticidad ser(: 6
6
6
Ec =( 40 × 10 psi)( 0.50 )+( 0.56 × 10 psi)( 0.50)= 20.3 × 10 psi
8 por último el peso especfico es: γ c =( 0.065)( 0.50)+( )+ (0.047 )( 0.50 )=0.056
lb in
3
2-64. !epita el problema YKF con fibras de carbono de modulo ele*ado. "atos: MatrizYepo)io:
s um=18 Ksi
Em
6
0.56 × 10
=
γ m=0.047
psi
6
Ef =100 × 10 psi
V m= 0.50
!esistencia ultima a la tensión:
γ f =0.078
Lb pul g
3
Lb pul g
3
s uc =s uf V f + σ m ' v m σ m '
&ara &ara obtene obtenerr el
, primero debemos obtener la deformación a la que se s uf
frac fractu tura rar ran an las las fibr fibras as a
. %upon %uponga gamos mos que que las fibras fibras son son linea linealme lmente nte
el(sticas a la fractura. 'ntonces: ε f =
s uf E f
3
ε f =
325 × 10
6
100 × 10
psi = 0.00325 psi
A esta misma deformación, deformación, el esfuerzo esfuerzo en en la matriz matriz es: 6
σ m = Em ε f =( 0.56 × 10 psi)( 0.00325)= 1820 psi
Ahora: 3
3
s uc =(325 × 10 psi)( 0.50)+( )+ ( 1820 psi )( 0.50 )=163 × 10 psi
'ntonces el módulo de elasticidad ser(: 6
6
6
Ec =( 100 × 10 psi )( 0.50 )+( 0.56 × 10 psi )( 0.50 )=50.3 × 10 psi
8 por último el peso especfico es: γ c =( 0.078)( 0.50)+( )+ (0.047 )( 0.50 )=0.0625
lb in
3
2-65. !epita el problema YKF con fibras aramidicas. "atos: MatrizYepo)io:
s um=18 Ksi
Em
6
0.56 × 10
=
psi
γ m=0.047
Lb pul g
3
6
γ f
Ef =19.0 × 10 psi
Lb
0.052
=
3
pul g
V f = 0.50
!esistencia ultima a la tensión: s uc =s uf V f + σ m ' v m
&ara &ara obtene obtenerr el
σ m '
, primero debemos obtener la deformación a la que se
frac fractu tura rar ran an las las fibr fibras as a
s uf
. %upon %uponga gamos mos que que las fibras fibras son son linea linealme lmente nte
el(sticas a la fractura. 'ntonces: ε f =
3
s uf
ε f =
E f
500 × 10
psi = 0.0263 6 19.0 × 10 psi
A esta misma deformación, deformación, el esfuerzo esfuerzo en en la matriz matriz es: 6
σ m = Em ε f =( 0.56 × 10 psi)( 0.0263)= 14740 psi
Ahora: 3
3
s uc =(500 × 10 psi)( 0.50)+( )+ ( 14740 psi )( 0.50 )=257 × 10 psi
'ntonces el módulo de elasticidad ser(: 6
6
6
Ec =( 19.0 × 10 psi )( 0.50 )+( 0.56 × 10 psi )( 0.50 )=9.78 × 10 psi
8 por último el peso especfico es: γ c =( 0.052)( 0.50 )+( )+ (0.047 )( 0.50 )=0.0495
lb 3
in
