Resume capitulo 1-4 Libro Ashby

ESIME unidad CULHUACAN.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL LA TÉCNICA AL SERVICIO SERVICI O DE LA PATRIA PATRIA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN

Selección y alicación !e Ma"e#iale$% Resumen capítulo 1 -4

A$&'y(Selección !e Ma"e#iale$ en Di$e)* Mec+nic*

GRUPO, -MM.

FECHA, ./01-023

P*#,

E$a#4a V+456e4 He'e#"*

Re7i$a#+, M. en C. Christian Martínez Galindo 8888888888888888888 CALIFICACI9N

I%I In"#*!6cción y $in*$i$% SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE MATERIALES.

ESIME unidad CULHUACAN. '' Diseño '' es una de esas palabras que significa todo para todas las personas. Cada cosa fabricada, desde el más lírico de los sombreros de las señoras hasta la grasienta caja de engranajes, califica, en algún sentido u otro, como un diseño. Puede significar aún más. Naturalea, para algunos, es !iseño !i"ino# para otros es el diseño por la selecci$n natural. %l lector estará de acuerdo en que es necesario para reducir el campo, al menos un poco. %ste resumen trata sobre el diseño mecánico, & el papel de los materiales en el mismo. os componentes mecánicos tienen masa# que lle"an cargas# conducen el calor & la electricidad# están están e(pu e(puest estos os al desga desgast ste e & a la corros corrosi$ i$n# n# está están n hecha hechas s de uno uno o más más materiales# tienen forma# & deben ser fabricados. os materiales tienen diseños limitados desde el primer hombre que hio ropa, const constru& ru&$ $ refu refugi gios, os, & libr libr$ $ guerr guerras. as. )oda"ía da"ía lo hacen hacen.. Pero Pero los los mate materi rial ales es & procesos que dan forma a ellos se desarrollan más rápido ahora que en cualquier momento anterior de la historia# los retos & oportunidades que presentan son ma&ores que nunca. %l libro desarrolla una estrategia para enfrentar los retos & apro"echar las oportunidades.

I%. Ma"e#iale$ en Di$e)*% %l diseño es el proceso de traducir una nue"a idea o una necesidad del mercado en la informaci$n detallada de la que un producto puede ser manufacturado. Cada una de sus etapas requiere decisiones acerca de los materiales de los que el producto "a a ser el hecho & el proceso para ello. Normalmente, la elecci$n del material está determinado por el diseño. Pero a "eces es al re"*s, el nue"o producto o la e"oluci$n del &a e(istente, fue elegida o hecha posible por el nue"o material. %l número de materiales disponibles para la ingeniería es "asto, algo mas de +-,--- está a disposici$n.  aún a pesar de la normaliaci$n se esfuera por reducir el número, número, la continua continua aparici$n aparici$n de nue"os materiale materiales s e(plotables, e(plotables, e(pande las opciones. /C$mo entonces, hacen los ingenieros para elegir de un "astísimo menú, el mejor de los materiales para su prop$sito0 /!ebe de confiar en su e(periencia0 Pues en el pasado lo hio. Pasando está bella comodidad a sus aprendices quien, mucho despu*s en sus "idas, pudieron asumir su rol c$mo el mandamás de los materiales, que sabía todo acerca de las cosas que la compañía hace. Pero muchas cosas cambiaron en el mundo de la ingeniería de diseño, & todos ellos trabaj trabajan an en contra del *(ito *(ito de este de este modelo. modelo. %s la escala escala de tiempo tiempo dilatado de aprendi, basado en el aprendiaje. 1a& mo"ilidad de trabajo que significa que el que ho& es *l mandamás, mañana no lo será más.  está la rápida e"oluci$n de la informaci$n de los materiales &a mencionados. No ha& duda dudas s sobr sobre e el "alor "alor de la e(per e(perie ienc ncia ia,, pero pero una una estrat estrateg egia ia apo&ándose en la e(periencia basada en el aprendiaje no está en sintonía con el

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE MATERIALES.

ESIME unidad CULHUACAN. ritmo & la re2disposici$n de talento que es parte de la era de la informaci$n tecnol$gica. Necesitamos un procedimiento sistemático, uno con pasos que puedan ser enseñados rápidamente, ahí está lo complicado en la decisi$n que alcana, que permite la aplicaci$n de computadoras, & con la capacidad para interactuar con las otras herramientas establecidos de diseño de ingeniería. a pregunta tiene que ser abordado en una serie de ni"eles, que corresponden a la etapa de diseño que se ha alcanado. 3l principio el diseño es fluido & las opciones son amplias pues se deben considerar todos los materiales. 3 medida que el diseño se "uel"e más centrado & toma forma, los criterios de selecci$n se agudian & la corta lista de materiales que pueden satisfacerlas se estrecha. %ntre más e(actos se requieran los datos 4aunque por un menor número de materiales5 una diferente forma de analiar la elecci$n debe ser utiliada. %n las etapas finales de diseño, se necesitan datos precisos, pero para toda"ía menos materiales, tal "e s$lo uno. %l procedimiento debe reconocer la riquea inicial de elecci$n, & al mismo tiempo, proporcionar la precisi$n & el detalle de en cual diseño final los cálculos fueron basados. a elecci$n de material no puede ser hecha independientemente de la elecci$n del proceso por el cual el material está formado, unido, terminado &6o tratado. %l costo entra tanto en la elecci$n del material como en la forma en la que el material es procesado. 3sí tambi*n, la influencia en el uso del material sobre el medio ambiente en el que "i"imos.  debe ser reconocido que s$lo la buena ingeniería del diseño no es suficiente para "ender productos. %n casi todo, desde electrodom*sticos a tra"*s de los autom$"iles & los a"iones, la forma, la te(tura, el color, la decoraci$n del producto, la satisfacci$n para quien las posee o la usa, son importantes. %ste aspecto, conocido confusamente como 7 Diseño Industrial” , es uno que, si se descuida, puede perder el fabricante su mercado, os buenos diseños trabajan, los e(celentes diseños tambi*n dan placer.

I%: La e7*l6ción !e l*$ ;a"e#iale$ in

ESIME unidad CULHUACAN. %sta ni es una %ra de un material, esta es la era de un inmenso rango de materiales. Nunca ha habido una %ra en la cual su e"oluci$n fuera más rápida & el rango de propiedades más "ariada. %l menú de los materiales se ha e(pandido tan rápidamente que los diseñadores que dejaron la uni"ersidad hace - años, pueden ser ol"idados por no saber que la mitad ellos e(isten. Pero el no saberlo, es para el diseñador, riesgo para el desastre. %l diseño inno"ador, a menudo, significa la e(plotaci$n imaginati"a de las propiedades que ofrecen los materiales nue"os o mejorados.  para el hombre de la calle, el estudiante incluso, no saber, es perderse uno de los grandes acontecimientos de nuestra *poca8 la edad de los materiales a"anados. a e"oluci$n & su ritmo creciente con ilustrados a continuaci$n. os materiales Pre2hist$ricos 4=>-,--- ac. a %ra de piedra.5 %ran cerámicos & "idrios, polímeros naturales & compuestos. as armas 2siempre al tope de la tecnología2 donde hechos de madera & piedra# edificios & puentes de rocas & madera. !e origen natural el oro & plata estu"ieron disponibles locamente & por su rarea, adquirieron gran influencia como moneda, pero su rol en la tecnología fue pequeño, el desarrollo rudimentario de termoquímica permiti$ que la e(tracci$n de, primero, el cobre & bronce, despu*s el metal 4a %ra de 9ronce, ?---2+--- a.c.  la %ra de hierro +--- a.c. @ +A- d.c.5 %stimularon enormes a"ances en tecnología. a era del hierro 4+A-s5 estableci$ el dominio de los metales en la ingeniería# & desde entonces la e"oluci$n de los aceros 4+B- en adelante5, aleaciones ligeras 4+D?-5 & aleaciones especiales, han consolidado su posici$n. Por los +DA-s los 7Eateriales FngenierilesG eran 7EetalesG. os ingenieros fueron dando cursos en metalurgia# otros materiales fueron agregados o mencionados.



La i!ura 1 nos muestra la e"oluci#n de los materiales en in!eniería en el tiempo.

I%= Ca$* !e E$"6!i*, la e7*l6ción !e ;a"e#iale$ en la$ a$i#a!*#a$% $%arrer & usar el plumero son pr'cticas homicidas( consisten en tomar el pol"o del suelo( mezclarlo con la atmosera causando )ue puedan ser inhaladas por los ha*itantes de la casa. +n realidad sería me,or si de,'ramos en donde est' el pol"o.”

o anterior lo escribi$ hace mas de +-- años. Eas que cualquier generaci$n pre"ia, os Hictorianos & sus contemporáneos en otros países, se preocupaban por el pol"o. %llos estaban con"encidos que el pol"o acarreaba enfermedades & que simplemente cuando se dispersaba el pol"o, como decía el doctor, era más infeccioso. No es de e(trañar que se ha&a in"entado la aspiradora. a aspiradora de +D-- & antes funcionaban con poder humano Iig. a5. a sir"ienta, se paraba firmemente en la parte de la base, bombeabauna mani"ela de la máquina, comprimiendo el fuelle que, a tra"*s de un cuerpo de "ál"ulas, permitía aspirar en un solo sentido, aspirando aire a tra"*s de un metal que contenía un filtro# la aspiradora contaba con una "elocidad de flujo apro(imadamente de +l6s. os materiales según los estándares actuales, son primiti"os, el limpiador está hecho casi enteramente con materiales naturales8 madera, lona, cuero, & caucho. %l único metal está en las correas que conectan los fuelles 4hierro dulce5 & la lata


ESIME unidad CULHUACAN. que contiene el filtro 4hoja de acero templado, laminado para hacer un cilindro.5 Jefleja el uso de materiales en +D--. Fncluso un auto hecho en +D--, fue hecho principalmente de madera, cuero & caucho# s$lo el motor & la trasmisi$n secundaria tenían que ser de metal. %l primer aspirador de "acío apareci$ en +D-B. Por +D- el diseño se había con"ertido en el aspirador cilíndrico. Iig. b5 4Con una tasa de flujo de +- l6s5. %l flujo de aire es a(ial, dibujado a tra"*s del cilindro por un "entilador el*ctrico. %l "entilador ocupaba apro(. la mitad de la longitud del cilindro# el resto tiene el filtro. Kn a"ance en el diseño es, por supuesto, la bomba de aire accionado el*ctricamente. %l motor, es cierto, es "oluminoso & de bajo consumo de energía, pero puede funcionar continuamente son descanso. Pero "inieron otros. %ste otro, está hecho casi completamente de metal# el casco, las tapas finales, los corredores, incluso el tubo para aspirar el pol"o son de acero dulce8 os metales han sustituido por completo los materiales naturales. a e"oluci$n desde entonces ha sida rápida, impulsando por el uso inno"ador de nue"os materiales. %l limpiador de +DB de "acío de la Iig. c5 tiene el poder de apro(. +A chachas que trabajan a B--L.

i!1. /spiradoras a lo lar!o de los 10s.



2a*la 1.1 Comparaci#n de costo( poder & peso de las aspiradoras.

%l diseño competiti"o requiere el uso inno"ador de nue"os materiales & la e(plotaci$n inteligente de sus propiedades especiales, tanto en la ingeniería como en la est*tica. Euchos fabricantes de aspiradoras no lograron inno"arse & e(plotar# ahora están e(tintas. %se pensamiento sombrío nos prepara para los capítulos que siguen en la que consideramos lo que se ol"idaron8 el uso $ptimo de los materiales en el diseño.



Ca>"6l* .% P#*ce$* !e Di$e)*. La necesidad del Mercado2 Requerimientos del

Concepo.

Daos de &aerial Los daos necesario correspondienes a odos los &aeriales#a/a precisi)n 0 dealle

+or&a de !a#ricaci)n.

Los daos para un su#con/uno de los &aeriales- una &a0or precisi)n 0 dealle

Herra&ienas de diseo. Modelado de !unciones Esudios de "ia#ilidad An$lisis apro%i&ado Modelado 'eo&(rico M(odos si&ulaci)n Modelado Coso Modelado de co&ponenes

Dealle.

Los daos correspondienes a &aerial de UN1&a0or precisi)n 0 dealle

Modelado de ele&enos fnios *+EM,

Especifcaciones del produco.

.%. P#*ce$* !e Di$e)*% %l punto de donde iniciaremos es 7a necesidad del EercadoG o lo llamaremos 7una nue"a idea 7. %l punto final son las especificaciones completas del producto que cubra las necesidades o cubra la idea. Kna necesidad debe ser identificada antes de que pueda cumplirse. %s esencial para definir la necesidad de precisi$n,


ESIME unidad CULHUACAN. es decir, formular una declaraci$n de necesidad, a menudo en la forma 7;e requiere un dispositi"o para lle"ar a cabo la tarea MG e(presado como un conjunto de requisitos de diseño. %l producto en sí se llama ;istema t*cnico. Kn sistema t*cnico se compone de subconjuntos & componentes, juntos de una manera que lle"a a cabo la tarea requerida, como en el desglose la fig. .. %s como describir un gato 4%l sistema5 como compuesto por una cabea, un cuerpo & cuatro patas cada uno compuesto de componentes a su "e. %sta descomposici$n es una forma útil para analiar un diseño &a e(istente, pero no es de mucha a&uda en el propio proceso de diseño. %s decir, en la síntesis de nue"os diseños. Eejor para ese prop$sito, es uno basado en las ideas de análisis de sistemas. ;e piensa en las entradas, salidas & flujos de informaci$n, energía & materiales, como en la siguiente fig. .

Necesidad del Mercado2

Defnir las especifcaciones Deer&inar esrucura de !unci)n 4us3ue principios de ra#a/o E"aluar 0 seleccionar Desarrollar el diseo- escala!or&a Modelar 0 anali5ar con/unos 1pi&i5ar las !unciones E"aluar 0 seleccionar diseos Desarrollar el diseo- escala!or&a Modelar 0 anali5ar con/unos 1pi&i5ar las !unciones E"aluar 0 seleccionar diseos

Concepo.

Diseo E&#e#ido.

Dealle.

Especifcaciones de Produco.

ierar


ESIME unidad CULHUACAN. i! .1 +l diseño producto de la identiicaci#n de una necesidad del mercado( es la aclaraci#n como un con,unto de re)uisitos de diseño( a tra"3s del concepto( realizaci#n & an'lisis detallado de un producto.

%l diseño procede por conceptos en desarrollo para realiar las funciones en la estructura de la funci$n, cada uno basado en un principio de trabajo. 3nte esto, la etapa de diseño conceptual, todas las opciones están abiertas8 el diseñador considera conceptos alternati"os & las formas en que estos podrían ser separados o combinado. a siguiente etapa, forma de realiaci$n, toma los conceptos prometedores & busca analiar su funcionamiento a un ni"el apro(imado. %sto implica el dimensionamiento de los componentes & la selecci$n de materiales que lle"arán acabo adecuadamente en los rangos de tensi$n, temperatura & el medio ambiente sugeridas por los requisitos de diseño, e(aminando las implicaciones para el rendimiento & el costo. a etapa de realiaci$n termina con un diseño factible que pasará a la etapa de diseño detallado.

i!. . +l an'lisis de un sistema t3cnico como una ruptura en el ensam*le & componentes. Material & selecci#n de procesos es un ni"el de componente.



i!. . Los sistemas de apro5imaci#n al an'lisis de un sistema t3cnico( "isto como la transormaci#n de la ener!ía( los materiales & la inormaci#n 6señales7. +ste eno)ue( cuando se ela*or#( a&uda a estructurar el pensamiento acerca de diseños alternati"os.

.%: Ti*$ !e !i$e)*% No siempre es necesario empear, por así decirlo, a partir de cero. %l !iseño original hace8 se trata de una nue"a idea o principio de funcionamiento 4el bolígrafo, el disco compacto5. Nue"os materiales pueden ofrecer nue"as, únicas combinaciones de propiedades que permiten el diseño original. 3sí la alta purea del silicio, acti"a el transistor# "idrio de alta purea, la fibra $ptica# altos imanes de fuera coerciti"a, el auricular miniatura, láseres de estado s$lido del disco compacto. 3 "eces, el nue"o material sugiere que el nue"o producto# a "eces en lugar del nue"o producto e(ige el desarrollo de un nue"o material8 la tecnología nuclear condujo el desarrollo de una serie de nue"as aleaciones de circonio & aceros ino(idables bajos en carbono# tecnología espacial estimul$ el desarrollo de materiales compuestos ligeros# la tecnología de turbinas de las unidades actuales de desarrollo de aleaciones de alta temperatura & cerámica. Diseño adapta*le o de desarrollo toma un concepto e(istente & busca un a"ance

gradual en el rendimiento a tra"*s de un refinamiento del principio de funcionamiento. %sto, tambi*n, a menudo es posible gracias a la e"oluci$n de los materiales8 os polímeros sustitu&eron a los metales en los aparatos dom*sticos# fibra de carbono sustitu&endo la madera en artículos deporti"os. %l aparato & el mercado de los deportes son grandes & competiti"os. os mercados aquí con frecuencia se han ganado 4& perdido5 por el modo en que el fabricante ha adaptado el producto mediante la e(plotaci$n de nue"os materiales.



.%= Di$e)* !e &e##a;ien"a$ y !a"*$ !e ;a"e#iale$% Para implementar las etapas de la figura .+, se hace uso de herramientas de diseño. %llos se muestran como entradas, que se adjunta a la iquierda de la columna "ertebral de la metodología de diseño en la Iigura .. as herramientas permiten el modelado & la optimiaci$n de un diseño, ali"iando los aspectos rutinarios de cada fase. a funci$n2modeladora sugiere estructuras funcionales "iables. Optimiadores de configuraci$n sugieren o define formas. os paquetes de modelado de s$lidos geom*tricos & ! permiten la "isualiaci$n & crear archi"os que se pueden descargar a los prototipos controladores num*ricos & sistemas de manufactura. a optimiaci$n !IE & !I3 & los costos estimados. 4Desi!n or manuacture and desi!n or assem*l&. 5

La necesidad del Mercado2 Requerimientos del

Concepo.

Daos de &aerial Los daos necesario correspondienes a odos los &aeriales#a/a precisi)n 0 dealle

+or&a de !a#ricaci)n.

Los daos para un su#con/uno de los &aeriales- una &a0or precisi)n 0 dealle

Herra&ienas de diseo. Modelado de !unciones Esudios de "ia#ilidad An$lisis apro%i&ado Modelado 'eo&(rico M(odos si&ulaci)n Modelado Coso Modelado de co&ponenes

Dealle.

Los daos correspondienes a &aerial de UN1&a0or precisi)n 0 dealle

Modelado de ele&enos fnios *+EM,

Especifcaciones del produco.


ESIME unidad CULHUACAN. i!- .8 +l diseño producto de la identiicaci#n de una necesidad del mercado( es la aclaraci#n como un con,unto de re)uisitos de diseño( a tra"3s del concepto( realizaci#n & an'lisis detallado de un producto.

.%3 Función, el material, y la forma de proceso. a selecci$n de un material & su proceso no se puede separar de la elecci$n de la forma. Ksamos la palabra '' forma '' para incluir el e(terno, macro2forma, &2 cuando sea necesario2 la interna, o la micro2 forma, como en un panal o estructura celular. Para hacer la forma, el material es sometido a procesos que, en conjunto, "amos a llamar a la a*ricaci#n 8 se inclu&en los procesos primarios de formaci$n 4como fundici$n & forja5, los procesos de eliminaci$n de material 4mecaniado, taladrado5, procesos de acabado 4como el pulido5 & el procesos de uni$n 4por ejemplo, soldadura5. a funci$n, material, forma & proceso interactúan como se muestra en la fig. .A.

i!. .9 +l pro*lema central de la selecci#n de materiales de diseño: la interacci#n entre la unci#n( material( orma & procesos.

a funci$n dicta la elecci$n de los materiales & la forma. %l proceso es influenciado por el material8 por su capacidad de conformaci$n, mecaniado, capacidad de soldadura, calor2tratabilidad, & así sucesi"amente. %l proceso ob"iamente interactúa con forma2el proceso determina la forma, el tamaño, la precisi$n &, por supuesto, el costo.



.%? Ca$* !e e$"6!i*@ !i$*$i"i7*$ a#a a'#i# la$ '*"ella$ c*n c*#c&* Kna botella con corcho crea una necesidad del mercado8 es la necesidad de tener acceso al "ino en el interior. Podríamos decirlo así8 '' ;e necesita un dispositi"o para sacar corchos de botellas de "ino. '' Pero espera. a necesidad debe ser e(presada en forma de soluci$n neutral, & esto no lo es. %l objeti"o es obtener acceso al "ino# nuestra afirmaci$n implica que esto se hace mediante la eliminaci$n del corcho, & que se retira tirando. Podría haber otras maneras. 3sí que "amos a intentarlo de nue"o8 '' ;e necesita un dispositi"o para permitir el acceso al "ino en una botella con corcho '' 4Iigura .5 & uno podríamos añadir, '' 'con la con"eniencia, a un costo reducido, & sin contaminar el "ino. Q

i! .;

i!. .< 8 posi*les ormas ilustradas( principios ísicos ilustrados.



i!. .0 2ra*a,ando principios de implementaci#n de los primeros tres es)uemas.

Cinco conceptos para hacer esto se muestran en la Iigura .B. %n fin, son para quitar el corcho mediante tracci$n a(ial 4tirando5# para eliminarlo por tracciones de corte# para empujar hacia fuera desde abajo# para pul"eriarla# & por pasar del todo2golpeando el cuello de la botella quiás.

i! .1 Dispositi"os para remo"er el corcho.



%(isten numerosos dispositi"os para lograr los tres primeros de estos. os otros se utilian tambi*n, aunque por lo general s$lo en momentos de desesperaci$n. Hamos a eliminar *stos con el argumento de que pudieran contaminar el "ino, & e(aminar los otros más de cerca, la e(ploraci$n de los principios de trabajo. Iigura .D muestra una para cada uno.

Ca>"6l* : Ma"e#iale$ !e ina y $6$ #*ie!a!e

%$. as familias de los materiales ingenieriles.

%s útil para clasificar los materiales de la ingeniería en los seis grandes familias que se muestran en la Iigura .+8 metales, polímeros, elast$meros, cerámica, "idrios, e híbridos. os miembros de una familia tienen ciertas características en común8 propiedades similares, rutas de procesamiento similares &, a menudo, las aplicaciones similares. os metales tienen relati"amente altos m$dulos. a ma&oría, en estado puro, son sua"es & fácilmente deformados. ;e pueden hacer


ESIME unidad CULHUACAN. fuerte por aleaci$n & mediante tratamientos t*rmicos, pero siguen siendo dúctiles, lo que les permite ser formados por procesos de deformaci$n. Ciertas aleaciones de alta resistencia 4aceros de resortes, por ejemplo5 tienen ductilidades tan bajas como + por ciento, pero incluso esto es suficiente para garantiar que los rendimientos de material antes de que se fractura & que la fractura, cuando ocurre, es de un duro, tipo dúctil. %n parte debido a su ductilidad, los metales son presa de la fatiga & de todas las clases de material, que son los menos resistentes a la corrosi$n.

i!. .1 +l men= de los materiales in!enieriles. Las amilias *'sicas de los metales( cer'micos( "idrios( polímeros & elast#meros( pueden ser com*inados en "arias !eometrías creando hí*ridos.

:%: La !einición !e la$ #*ie!a!e$ !e l*$ ;a"e#iale$% Cada material puede ser considerado como que tiene un conjunto de atributos8 sus propiedades. No es un material, per se, que el diseñador busca# es una combinaci$n específica de estos atributos8 prohibido per fi l. %l nombre del material es el identificador para una propiedad particular2per fi l. as propiedades en sí son estándar8 densidad, m$dulo, resistencia, durea, conducti"idades t*rmicas & el*ctricas, & así sucesi"amente 4)abla .+5. Por e(hausti"idad & precisi$n, son de finido, con sus límites, en esta secci$n.


ESIME unidad CULHUACAN. Propiedades generales

os densidad 4unidades8 :g 6 m5 es la masa por unidad de "olumen. Eedimos ho& como lo hio 3rquímedes8 pesando en el aire & en un líquido de densidad conocida. %l precio, Cm 4unidades8 R 6 :g5, de materiales abarca una amplia gama. 3lgunos costo tan poco como R -. 6 :g, los demás tanto como R +--- 6 :g. os precios, por supuesto, fluctuar, & dependen de la cantidad que quieras & en su condici$n de '' cliente preferido '' o de otra manera. 3 pesar de esta incertidumbre, es útil tener un precio apro(imado, útil en las primeras etapas de selecci$n.

Propiedades mecánicas

%l m$dulo elástico 4unidades8 SPa o SN 6 m5 se define como la pendiente de la parte líneas elásticas de la cur"a de tensi$n2deformaci$n 4Iigura .5. %l m$dulo de oung, %, describe la respuesta a la tensi$n o carga de compresi$n, el m$dulo de ciallamiento, S, describe la carga de ciallamiento & el m$dulo de compresibilidad, T, presi$n hidrostática. 0 a relaci$n de Poisson, es adimensional8 es el negati"o de la relaci$n de la tensi$n lateral, %, a la deformaci$n a(ial, %+, en la carga a(ial8

2a*la .1 Diseño *'sico-límites de material & propiedades con sus unidades en >I.




ESIME unidad CULHUACAN. %n realidad, los m$dulos de medidas como las pendientes de las cur"as de tensi$n2deformaci$n son ine(actas, a menudo bajo en un factor de  o más, a

I! . Dia!rama esuerzo-Deormaci#n.

causa de las contribuciones a la cepa de Fnelasticidad, fluencia & otros factores. E$dulos precisos se miden de forma dinámica8 e(citando las "ibraciones naturales de una "iga o alambre, o midiendo la "elocidad de las ondas de sonido en el material. %n un material isotr$pico, los m$dulos están relacionados de la siguiente manera8

as fuentes de datos, como los que se describen en el Capítulo + "alores de la lista de los cuatro m$dulos. %n este libro se e(aminan los datos de %# "alores apro(imados para los otros se pueden deri"ar de la ecuaci$n 4.5 cuando sea necesario. %l f fuera, de un s$lido0 4Knidades8 EPa o EN 6 m5 requiere una cuidadosa definici$n. Para los metales, identificamos0 I con el -, por ciento de la fuera de fluencia desplaada  4Iigura .5, es decir, la tensi$n a la que la cur"a de tensi$n2deformaci$n para la carga a(ial se des"ía por una cepa de un -, por ciento desde la línea lineal elástico. %s lo mismo en tensi$n & compresi$n. 0 Para los polímeros, f es identificado como el estr*s en el que la cur"a de tensi$n2


ESIME unidad CULHUACAN. deformaci$n se "uel"e marcadamente no lineal8 por lo general, una cepa de un + por ciento 4Iigura .5. %sto puede ser causado por ciallamiento rendimiento8 el desliamiento irre"ersible de las cadenas moleculares# o puede ser causada por grietas8 la formaci$n de baja densidad, el "olumen de crac:2como que dispersan la lu, por lo que el polímero parece blanco.

i! . Dia!rama esuerzo-Deormaci#n polímero.

os polímeros son un poco 4por ciento -5 más fuerte en compresi$n que en tracci$n. Iuera, para cerámicas & "idrios, depende en gran medida del modo de carga 4Iigura .?5. %n tensi$n, '' la fuera '' significa que la resistencia a la fractura, t. %n la compresi$n significa que la resistencia al aplastamiento c, que es mucho más grande.

Ca>"6l* = Ta'la$ #*ie!a! !el ;a"e#ial% EBl*#an!* la$ #*ie!a!e$ !e ;a"e#ial% as propiedades de los materiales de ingeniería tienen un período característico de los "alores. %l lapso puede ser grande8 muchas propiedades tienen "alores que "an más de cinco o más d*cadas. Kna forma de "isualiar esto es como un bar2 tabla como la de la figura ?.+ para la conducti"idad t*rmica. Cada barra representa un solo material. a longitud de la barra muestra el rango de conducti"idad e(hibido por que el material en sus di"ersas formas. os materiales son segregados por clase. Cada clase muestra un rango característico8 metales, tienen altas conducti"idades# polímeros tienen una baja# cerámicas tienen una amplia gama, de menor a ma&or. Eucho más informaci$n se muestra de una forma alternati"a de traado de propiedades, ilustrados en el esquema de la figura ?.. 3quí, una propiedad 4el m$dulo, %, en este caso5 se representa frente a otro 4la densidad,5 %n escalas logarítmicas. ;e elige el rango de los ejes para incluir todos los materiales, de la



más ligero, espumas a las más rígidas, metales pesados. 3 continuaci$n, se encontr$ que los datos para una determinada familia de materiales 4por ejemplo, polímeros5 agrupan en la tabla# el sub2rango asociado con una familia material es, en todos los casos, mucho más pequeñas que la gama completa de esa propiedad. os datos correspondientes a una misma familia pueden estar encerrados en un sobre de la propiedad, como la Iigura ?. muestra. !entro de ella se encuentran las burbujas que encierran clases & subclases. )odo esto es bastante simple, s$lo una manera útil de conspirar datos. Pero por la elecci$n de los ejes & escalas de manera adecuada, se pueden añadir más. a "elocidad del sonido en un s$lido depende de % &0# la "elocidad de la onda longitudinal ", por ejemplo, es8

Para un "alor fijo de ", esta ecuaci$n parcelas como una línea recta de pendiente + en la Iigura ?.. %sto nos permite añadir contornos de "elocidad de la onda constante a la carta8 son la familia de líneas diagonales paralelas, que une los materiales en los que las ondas longitudinales "iajan con la misma "elocidad. )odos los gráficos permiten relaciones fundamentales adicionales de este tipo que se mostrarán.  ha& más8 los parámetros de diseño de optimiaci$n llamados índices de materiales tambi*n traan como contornos a las listas de *(itos. Pero eso "iene en el capítulo .



IG. 4. La idea de un !r'ico de materiales propiedad: m#dulo de ?oun!( +( se representa rente a la densidad(( en escalas de re!istro@. Cada clase de material ocupa una parte característica de la ta*la. Las escalas de re!istro permiten al lon!itudinal el'stica "A "elocidad de la onda 6+ B@7 Medio )ue se representa como un con,unto de contornos paralelos.

4.3 diagramas de las propiedades de material.

+l !r'ico M#dulo-Densidad

E$dulo & la densidad son propiedades familiares. %l acero es rígido, caucho es compatible con8 estos son efectos del m$dulo. %l plomo es pesado# corcho es bo&ante8 estos son efectos de la densidad. a figura ?. muestra el rango completo del m$dulo de oung, %, & la densidad,0, Para materiales de ingeniería. os datos correspondientes a los miembros de una familia particular de agrupaci$n material de juntas & pueden estar encerrados por una en"oltura 4línea gruesa5.



i!( 4. Modulo de elasticidad de ?oun!.

El gráfico de módulo de resistencia De acero de alta resistencia hace *uenos manantiales. ero lo mismo ocurre con el caucho. C#mo es )ue dos de estos materiales dierentes son am*os aptos para la misma tarea@ +sta & otras pre!untas son respondidas por la i!ura 4.8( uno de los m's =tiles de todas las listas. >e muestra el m#dulo de ?oun!( +( representa rente a la uerza(@ . Las caliicaciones so*re EE la uerza EE son los mismos )ue antes: si!niica límite el'stico de metales & polímeros( m#dulo de ruptura para la cer'mica( resistencia al des!arro para elast#meros( & resistencia a la tracci#n de compuesto & *os)uesF el sím*olo@  se utiliza para todos ellos. Contornos de cepa rendimiento(@  B + 6es decir( la cepa en la )ue el material de,a de ser linealmente el'stico7( aparecen como una amilia de líneas rectas paralelas. +5amine estos primeros. olímeros de in!eniería tienen !randes cepas de rendimiento de entre (1 & (1F los "alores para los metales son al menos un actor de 1 m's pe)ueño. Composites & *os)ues se encuentran en el contorno (1( tan *ueno como los me,ores metales. +last#meros( por su e5cepcionalmente *a,o m#dulos( tienen "alores de  B + m's !rande )ue cual)uier otra clase de material: típicamente 1 a 1. La distancia a la )ue las uerzas inter-at#mica acto es pe)ueña un "ínculo se rompe si se estira hasta m's de apro5imadamente el 1


ESIME unidad CULHUACAN. por ciento de su lon!itud ori!inal. or lo tanto la uerza necesaria para romper un enlace es apro5imadamente:

%l gráfico muestra que, para algunos polímeros, la cepa fracaso se apro(ima a este "alor. Para la ma&oría de los s$lidos es menos, por dos raones. 9onos %n primer lugar, no localiados 4aquellos en los que la energía de cohesi$n se deri"a de la interacci$n de un átomo con un gran número de otros, no s$lo con sus "ecinos más cercanos5 no se rompen cuando se corta la estructura. %l enlace metálico & el enlace i$nico para ciertas direcciones de cialladura, son así# metales


ESIME unidad CULHUACAN. mu& puros, por ejemplo, el rendimiento a tensiones tan bajas como % 6 +----, & el fortalecimiento de los mecanismos son necesarios para que sean útiles en la ingeniería. %l específico carta fortalea fi co2rigide específica Euchos diseños, en particular las cosas que se mue"en, e(igen rigide & resistencia al peso mínimo. Para a&udar con esto, los datos de la tabla anterior Hol"erán a dibujarse en la Iigura ?.A despu*s de di"idir, para cada material, por la densidad# muestra % 60 conspirado contra0 f 6 0. Composites, particularmente CIJP, emergen como la clase de material con las propiedades más atracti"as específicas, una de las raones de su creciente uso en la industria aeroespacial. Cerámica tienen e(cepcionalmente alta rigide por unidad de peso, & la fuera por unidad de peso es tan bueno como los metales. os metales son penaliados debido a sus densidades relati"amente altas. Polímeros, debido a que sus densidades son bajas, les "a mejor en esta carta que en el último. %l gráfico tiene aplicaci$n en la selecci$n de materiales para los manantiales de lu & dispositi"os energ& storage. Pero eso tambi*n tiene que esperar hasta la ;ecci$n A..

La #ac"6#a <#+ic* !e "enaci!a! a ;ó!6l* %l aumento de la resistencia de un material es útil s$lo el tiempo que sigue siendo de plástico & no falla por fractura rápida. a resistencia a la propagaci$n de una grieta se mide por la resistencia a la fractura, T+C. ;e representa frente m$dulo % en la Iigura ?.. a gama es grande8 desde menos de -,-+ a más de +--EPa.m+ 6 . %n el e(tremo inferior de esta gama son materiales frágiles, que, cuando está cargado, se mantienen elástica hasta que se fracturan. Para estos, la mecánica de fractura lineal elástica funciona bien, & la propia resistencia a la fractura es un bien de fi nida la propiedad. %n el e(tremo superior se encuentran los materiales super2resistentes, todos los cuales muestran la plasticidad sustancial antes de que se rompan. Para estos "alores de T+C los son apro(imados, deri"ada de las mediciones crítico U2integral 4Uc5 & crítico desplaamiento grieta abertura de paso 4c5 4escribiendo T+CV 4%UC5 medio, por ejemplo5. ;on útiles para proporcionar una clasificaci$n de materiales. a figura muestra una de las raones para el predominio de los metales en la ingeniería# casi todos tienen "alores de T+C anterior -EPa.m+ 6 , un "alor a menudo citado como un mínimo para el diseño con"encional.



i!. 4.9 Modulo especíico de +Lp


Resume capitulo 1-4 Libro Ashby

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