Proyecto Final Resistencia de los MaterialesResistencia de los Materiales Instituto IACC 15 Enero 2018 Desarrollo 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 debemos saber y tener en cuenta, que las bicicletas de montaña estarán expuestas a diferentes factores, como lo pueden ser, tanto ambientales como mecánicos, hay que considerar un tipo de metal resistente a los golpes, presiones, torsiones, a los cambios de temperaturas, básicamente materiales resistentes para que no sufra fracturas, corrosión u oxido. También hay que considerar un material que no sea muy pesado, para la maniobrabilidad y movimientos, además porque la actividad no se podría efectuar adecuadamente. 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. Material Ventaja Desventaja Acero Material resistente con Es un material muy una larga vida útil pesado para la actividad Es un material más estable Altamente corrosivo que los demás metales Alta ductilidad Alta tenacidad Aluminio Material liviano Baja resistencia a fuerzas extremas Más económico No se oxida Titanio Material liviano Es un material de un muy alto costo que el resto de No se oxida los materiales Resistente a la corrosión Dificultad de mecanizado 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. Aluminio: es un material de una densidad muy baja, es más maleable que el acero y, además, es más ligero, por lo que resulta un material más fácil de manejar. Es más barato que la fibra de carbono y requiere menos tiempo de elaboración. Fibra de Carbono: es un material de buena resistencia, es muy liviano, flexible, hay diferentes tipos de carbono: se basan en el control de calidad y el diámetro de las fibras de carbono. La definición K, está relacionada por cada 1.000 fibras de carbono que componen cada hilo del tejido. Titanio: Las buenas propiedades mecánicas: elevado ratio resistencia-peso y razonable rigidez, junto con la resistencia a fatiga y la resistencia a la corrosión hacen de este material muy atractivo estructuralmente. 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. ρ = m/v v = 3.1416 x 22 x 20 v = 251,32 ρ = 0,493 kg 251,32 cm3 ρ = 1,96 x10-03 Kg/cm3 b) Si la barra está elaborada con bronce, acero o aluminio. Según esfuerzo vs deformación, la barra estaría elaborada de acero. c) Qué tipo de fractura espera que tenga el material. Sería una fractura frágil, tipo copa-cono d) Cuál es la dureza Brinell aproximada de la barra. Se encuentra entre los 900 y 1000 Brinell 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: se encuentra en fase 100% sólido b) MgO – 40% FeO: % S = 65 – 45 x 100 % = 76.9 % 65 - 39 % L = 45 – 40 x 100 % = 23.1 % 65 - 39 c) MgO – 60% FeO: % S = 65 – 60 x 100 % = 19.2 % 65 - 39 % L = 60 – 39 x 100 % = 80.8 % 65 - 39 d) MgO – 80% FeO: se encuentra en fase 100% líquida 4) Dada la curva del siguiente gráfico: Luego, determine: a) El módulo de elasticidad. E=σ/ε σ = 225 MPa ε = 0,0018 mm E = 225 MPa / 0,0018 mm E = 125000 MPa b) La resistencia a la fluencia compensada para una deformación del 0,002. Su intersección con la curva tensión-deformación es igual a 375 MPa c) La resistencia a la tracción. La resistencia sería 650 MPa d) Deformación hasta la ruptura. La ruptura sería 0,36 mm e) La carga máxima que puede soportar una probeta cilíndrica con un diámetro original de 10 mm. F = σ x A0 = 650 MPa x 10 mm x 10-4mm F = 6,5 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. ΔL = e x Lo= (0,10 mm) x (250 mm) = 25 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. Es sabido que los sólidos, tienen una dilatación al calentarse, aunque su dilatación o puede ser una contracción, por muy pequeña que ésta pueda ser, tiende a manifestar consecuencias importantes. Y para el caso planteado, el material más adecuado y óptimo, en la construcción de la barra debiera ser el Tungsteno, al poseer un coeficiente de expansión térmica más bajo, y su módulo elástico al ser superior en comparación de los otros materiales, sobre todo al tener los extremos fijos. 6) Dados los siguientes valores para las propiedades de un acero tipo 4140: 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. Al realizar el ensayo de resistencia a la tracción, se realiza la prueba para verificar el esfuerzo de ingeniería máximo en tracción, para observar la resistencia que puede sostener un material sin que ocurra fractura. Para el ensayo de esfuerzo de fluencia, se verifica el esfuerzo máximo, que puede desarrollarse en un material sin causar una deformación plástica. En el ensayo de dureza, se mide la resistencia que opone un material a ser deformado plásticamente, es por aquello que la dureza está directamente relacionada con el límite elástico del material y, además, con la resistencia al desgaste de los materiales; es decir, los materiales duros desgastan a los materiales blandos. b) Mencione un ejemplo de aplicación industrial para cada uno de los tratamientos indicados. Las resistencias a la tracción pueden variar entre 50 MPa (7.000 psi) para un aluminio hasta valores tan altos como 3.000 MPa (450.000 psi) para aceros de alta resistencia. Los esfuerzos de fluencia para los metales están comprendidos entre 35 MPa para un aluminio de baja resistencia hasta valores superiores a 1.400 MPa para aceros de alta Para medir dureza se agruparon 10 minerales corrientes y les asignó un número entre 1 y 10, basado en la capacidad que tenía cada uno de rayar o ser rayado por otro. De esta manera, por comparación, se puede definir la dureza de cualquier material. Los minerales citados a continuación, dispuestos de menor a mayor dureza, en escala del 1 al 10, se conocen como la escala de dureza de Mohs 7) Para los siguientes mecanismos de deterioro ambiental de los materiales, complete la siguiente tabla: Oxidación de Metales Ejemplo de oxidación Materiales en exposición a los agentes ambientales, tales como el agua, temperatura, viento, sales, etc. Un ejemplo de ello son los puertos marítimos. Mecanismo de oxidación Una capa porosa de óxido “no protector” a través de la cual el oxígeno molecular (O2) puede pasar continuamente y reaccionar en la interfase metal-óxido. Una capa no porosa a través de la cual los cationes se difunden para reaccionar con el oxígeno en la interfase exterior (aire- óxido). Una capa no porosa a través de la cual los iones (O2)- se difunden para reaccionar con el metal en la interfase metal-óxido. Una capa no porosa en la que tanto los cationes como los aniones O2 se difunden a aproximadamente la misma velocidad, haciendo que la reacción de oxidación se produzca en el interior de la capa de óxido en lugar de hacerlo en una interfase. Efectos de la oxidación sobre el material El material pierde electrones, quedando cargado positivamente, donde generalmente se produce con el oxígeno de la atmósfera, y de esa forma se produce la reacción química generando la oxidación. Al reaccionar un metal con el oxígeno, se produce óxido metálico, normalmente ocurre con más rapidez a temperaturas elevadas. Corrosión Ejemplo de Corrosión La mayoría de los metales son corroídos hasta cierto grado por el agua y la atmósfera y, además, pueden también ser corroídos por el ataque químico directo de las soluciones químicas e inclusive de metales líquidos. Ejemplo de esto son los barcos. Tipo de Corrosión Acuosa: hay presencia de un electrolito (el más habitual el agua) Galvánica: contacto eléctrico entre material electroquímico y un electrolito (aluminio/acero) Reducción gaseosa: difícil renovación del líquido, exceso concentración electrolito y se produce reacción catódica, generalmente lo provoca el oxígeno Efectos de la corrosión sobre el material Deterioro de la pieza y la pérdida de sus propiedades, pérdida de la resistencia del material. Degradación de Polímeros Ejemplo de degradación Material plástico expuesto a radiación solar que traslada líquidos (tuberías para cloro) Tipo de degradación Térmicos: la temperatura envejece los materiales poliméricos Mecánica: sobreesfuerzos Fotoquímica: radiación ultravioleta (UV) Química: agentes químicos, oxidación, hidrólisis y envejecimiento por reticulación Efectos de la degradación sobre el material Disminución en la resistencia a la tracción, fragilidad, pérdida de resistencia al impacto, daños en la superficie de las piezas, aparición de grietas o cambios en la coloración, entre otras, la degradación causa cambios en las propiedades físicas, pudiendo llegar a un deterioro total del material. Desgaste Ejemplo de desgaste Erosión Cavitación Fricción Desplazamiento Tipo de desgaste Adhesivo: dos superficies sólidas se deslizan una sobre la otra bajo presión Abrasivo: se elimina material de una superficie por contacto con partículas duras Erosión líquida: erosión causada por altas presiones originadas por un líquido en movimiento Efectos del desgaste sobre el material Degradación de los materiales, eliminación de material de la superficie de una pieza. Bibliografía [IACC (2017). Estructura de la materia. Resistencia de los Materiales. Semana 1. IACC (2017). Tipos de materiales y sus características. Resistencia de los Materiales. Semana 2. IACC (2017). Propiedades físicas y mecánicas de los materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 3. IACC (2017). Propiedades térmicas de los materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 4. IACC (2017). Ingeniería de los materiales I. Resistencia de los Materiales. Semana 5. IACC (2017). Ingeniería de los materiales II. Resistencia de los Materiales. Semana 6. IACC (2017). Tratamiento de materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 7. IACC (2017). Mecanismos de deterioro ambiental de los materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 8.]