Seleccion Materiales

SELECCIÓN DE MATERIALES EN ELDISEÑO MECÁNICO (Método de Michael Ashby) Pamplona 2012 M.Sc. Jhon Erickson Barbosa Jaimes [email protected] “Diseñar es formular un plan satisfacer una necesidad humana” Diseño a fatiga del buje de un aerogenerador con FRP “La necesidad particular que habrá de satisfacerse puede estar completamente bien definida desde el principio.” Tomado de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/6860/00CONTENIDO_P ROLOGO.pdf?sequence=1 para Fases del diseño Consideraciones de diseño. Generalmente se deben tener en cuenta varios factores en un caso de diseño determinado. Algunos de estos son: •Resistencia. •Confiabilidad. •Propiedades térmicas. •Corrosión. •Desgaste. •Fricción. •Procesamiento. •Utilidad. •Costo. •Seguridad. •Peso •Duración. •Ruido. •Forma. •Flexibilidad. •Control. •Rigidez. •Lubricación. •Mantenimiento. •Volumen. •Responsabilidad legal. La resistencia de un elemento depende de la elección.Consideraciones de diseño. eficiencia y buen funcionamiento o buena calidad. eficiencia y calidad especificadas. “La resistencia es una propiedad de un material o de un elemento mecánico. el tratamiento y el procesado del material” Resistencia a la fluencia y última Sy .” Esfuerzo y resistencia. la fabricación y la construcción de un objeto o sistema. materiales o procesos establecidos. el diseño.” “Un código es un conjunto de especificaciones para efectuar el análisis. Su Resistencia a la fatiga Sf Resistencia a cortante Ssy . El propósito es alcanzar un grado especificado de seguridad. “Una norma es un conjunto de especificaciones para piezas. Códigos y normas. con el fin de lograr uniformidad. 0 ≤ R < 1 Factores económicos.Consideraciones de diseño. “un procedimiento tan antiguo como el propio diseño de ingeniería” Confiabilidad. Factor de seguridad. Responsabilidad legal. Esta cantidad R puede expresarse mediante un número al que se asigna el siguiente intervalo. “La medida estadística de la probabilidad de que un elemento mecánico no falle cuando está en servicio se llama confiabilidad de ese elemento”. . (1999) Materials Selection in Mechanical Design. 3º Edition. Oxford. Butterworth-Heinemann. .La evolución de los materiales de ingeniería Ashby M. Gipsita 3. Safiro 10. Feldespato 7. Topacio 9. Fluorita 5. Apatita 6. Cuarzo 8. Diamante . Calcita 4. Talco 2.SELECCIÓN DE MATERIALES POR PROPIEDADES MECÁNICAS Dureza Escala Mohs (1882) 1. Resistencia estática Esfuerzo. MPa 0.2 0.6 Transversal 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Ashby M. 2º Edition. ButterworthHeinemann. mm/mm 0. (1999) Materials Selection in Mechanical Design. 0 0.3 Deformación unitaria. Oxford.4 .1 0. Módulo de Young Módulo de rigidez Relación de Poisson: E G 2(1   ) http://www.html .Flexión Esquema del ensayo de flexión en tres puntos para medir el comportamiento esfuerzodeformación y la resistencia a la flexión de materiales.net/Plastico/Articulos /57458-Ensayos-de-tablas-de-snowboard-conuna-maquina-Zwick-AllroundLine.interempresas. Deflexiones Rigidez . Tenacidad . Ensayos de impacto de productos terminados . llamado factor de intensidad de esfuerzos (K). K  Y a . 2 ed. 2004 El análisis se fundamenta en la aplicación de un parámetro que caracteriza la fractura.Enfoque de la Mecánica de la fractura J. México: Ed LIMUSA. González. Mecánica de la fractura. Enfoque de la Mecánica de la fractura KI KI   a KO Geométrico. . Material KI C K I  K IC Ocurrirá la falla. . iberisa.com/soporte/ fatiga/intro.Resistencia a la fatiga http://www.htm . http://www.aspx . El parámetro habitualmente empleado para caracterizar dicha resistencia en ensayos de corta duración (normalmente 1000 horas o menos) es el tiempo a ruptura tr para una dada tensión ingenieril y una dada temperatura (Rupture Creep Tests).instron.es/wa/solutions/creep-stressrupture-tensile-testing-high-temperature-specimens. ASTM E-139.CREEP (Fluencia lenta) Ensayo de termofluencia.com. CREEP (Fluencia lenta) Aleación de base Fe para alta temperatura. . En caso de existir un movimiento relativo suficiente se produce un arrancamiento del material de una o más superficies. El desgaste es la pérdida de material. como resultado del movimiento relativo entre dos superficies en contacto sometidas a una carga. Por lo tanto su uso es amplio en capas contra el desgaste. como componente inferior de los cojinetes.Resistencia al desgaste. . generalmente de aquella que está constituida por un material más débil. con la generación de partículas de desgaste. El politetrafluoroetileno (PTFE) tiene el coeficiente de fricción más bajo de todos los materiales sólidos. cerámicos y compuestos). . condiciones de trabajo y relación entre costo y desempeño. Por este motivo el ingeniero tiene la difícil tarea de seleccionar el material mas apropiado para su diseño. proceso de conformado. polímeros. Para esto se debe tener en cuenta aspectos como composición del material. contemplando los atributos que son relacionados entre sí por medio de cartas de selección (Método de Michael Ashby).METODOLOGÍA DE MICHAEL ASHBY Actualmente el número de materiales disponibles es muy amplio (metales. Se trata de una metodología que sirve de guía en la selección de los materiales más adecuados en las diversas fases del diseño. METODOLOGÍA DE MICHAEL ASHBY Las familias de materiales de ingeniería Cartas de selección de materiales . Selección del material determinado por la función. Oxford. 3º Edition. . Butterworth-Heinemann. (1999) Materials Selection in Mechanical Design. La forma algunas veces influye en la selección Ashby M. Oxford. Butterworth-Heinemann. Límite de atributos Índice de material. (1999) Materials Selection in Mechanical Design.La estrategia para la selección de materiales contempla cuatro pasos. Ashby M. . 3º Edition. TRANSLATION: Consiste en reinterpretar los requerimientos del diseño en términos de función. objetivos y variables libres. relacionándolos con las propiedades del material. . aplicar éstos para aislar un subconjunto de materiales viables. eliminando los candidatos que no realizan el trabajo. Función ¿qué hace el componente? Objetivos ¿qué debe ser maximizado o minimizado? Restricciones ¿qué condiciones mínimas de atributos debe tener? ¿qué parámetros del problema son libres de cambiar en el diseño? Variables libres SCREENING: Consiste en derivar los límites de los atributos o propiedades a partir de las restricciones y. restricciones. RANKING identifica de entre éstos los que mejor lo hacen SUPPORTING INFORMATION: Explora aspectos de los candidatos clasificados más altos en cuanto a su pasado. comportamiento en ambientes relevantes.RANKING: Consiste en ordenar los candidatos viables por el valor del índice del material. disponibilidad y más. Esto ayuda a estrechar aún más la lista pequeña de materiales hasta la elección final. maximizar o minimizar una propiedad o grupo significa maximizar el rendimiento RESUMEN: SCREENING aísla los materiales candidatos que pueden hacer el trabajo. usos establecidos. Éste se refiere a la propiedad o grupo de propiedades que máxima el rendimiento para un diseño dado. Aquí. . Butterworth-Heinemann. (m) Ashby M. Oxford. (E) Baja resistencia fluencia. 3º Edition. Buen funcionamiento Baja rigidez. (1999) Materials Selection in Mechanical Design. (σy) Baja tenacidad fractura. (KIc) a la a la Alto peso. .Límites de los atributos • Las restricciones fijan los límites de los atributos.  . para el cual se busca valores extremos. esto es lo mismo para todas las geometrías. el rendimiento para toda F y G es maximizado al maximizar f3(M) ” . F   parameters. El rendimiento de un elemento estructural es descrito por una ecuación de la forma:  Funcional   Geometric   Material  P   . entonces la ecuación es escrita por: P  f1 F   f 2 G   f 3 M  “Cuando los grupos son separados. G. G . M  Cuando los grupos de parámetros son separables. Es decir. G   properties. M  P  f F . y para todos los valores de los requerimientos funcionales.Índices del material • El objetivo define los índices del material. la elección óptima del material se vuelve independiente de los detalles del diseño.    requerements. Región de búsqueda Límite Índices . Componentes mecánicos simples . Soportar una carga de tensión F sin fallar.Índice de material para una barra resistente y liviana “Una barra de longitud L debe soportar una carga de tensión F sin fallar.(Resistencia) Variables libres Área seccional A. En este caso. maximizar el rendimiento significa minimizar la masa. Objetivo Minimizar la masa Restricciones Longitud L especificada. . y ser de mínima masa. mientras soporta la carga F con seguridad ” Requerimientos del diseño para una barra liviana Función Barra a tensión. requiriendo que F  f A m F f f M  M E  Requerimientos funcionales L   m  F L   f     Parámetros geométricos m  F L  1  f       “La barra más liviana que soportará F sin fallar es aquella con el valor más alto de la resistencia específica” “La barra más liviana que soportará F sin deformarse mucho es aquella con el valor más alto del módulo específico” Índice de material .Derivando el índice del material Se busca una ecuación que contenga la propiedad a ser maximizada o minimizada: m m  AL La masa puede ser minimizada reduciendo el la sección transversal A. pero hay una restricción: A debe ser suficiente para soportar la carga F. Región de búsqueda Límite Índice . significando que no debe deformarse más que δ bajo una carga F” Requerimientos del diseño para una viga rígida y ligera Función Viga. Soportar a flexión bajo la carga demasiada deformación.(Rigidez) Variables libres Área seccional A.Índice de material para una viga rígida y liviana “Consideremos una viga liviana de sección b x b y longitud L cargada en flexión. Objetivo Minimizar la masa Restricciones Longitud L especificada. F sin . Esta debe satisfacer una restricción sobre su rigidez. pero sólo hasta que la restricción rigidez sea satisfecha. Esto requiere que S = F/δ sea más alto que el valor: 4 2 F C1 EI S  3  L  12SL m    C1 E 3 M E 1  1   L  2 donde b A I  12 12  12S   m    C1 L  1 2 Requerimientos funcionales    L  12  E  3  12 S   m    C1 L  Función objetivo 2 Parámetros geométricos “Los mejores materiales para una viga rígida y ligera son aquellos con el valor más alto de este índice” 1 2 L  3 1  E 12         Índice de material .Derivando el índice del material Se busca una ecuación que contenga la propiedad a ser maximizada o minimizada: m FL3  C1 EI m  AL La masa puede ser minimizada reduciendo el la sección transversal A. Región de búsqueda Límite . MATERIALES PARA VOLANTES DE INERCIA Volante de máxima energía Función Volante para almacenamiento de energía Objetivo Maximizar la energía cinética por unidad de masa Restricciones a) b) No debe explotar Dureza adecuada para dar tolerancia a las grietas Volante de velocidad limitada Función Volante para juguetes de niños Objetivo Maximiza la energía cinética por unidad de volumen Restricciones Radio exterior fijo . 1 U  J 2 2 U  4 J R 4 t 2  2 R 4t m  R 2 t U 1 2 2  R  m 4 Índice de material f M   U  2   f    m  (3  v)   Función objetivo  3 v  2 2  m ax    R   8     .El modelo. f M   U 1 2 2  R  V 4 M2   . Excelente opción Bueno pero costoso.eliminar El mejor desempeño.una buena opción Casi tan bueno como el CFRP y más barato. no limitado por la fuerza . trabajar y tóxico difícil de Todas iguales en desempeño Las aleaciones de acero y aluminio son más baratas que las aleaciones de Titanio y Magnesio La alta densidad hace de estas una buena (y tradicional) selección cuando el desempeño es limitado por la velocidad.Material M (kJ/kg) Cerámicas 200-2000 (sólo compresión) Compuestos: CFRP GFRP 200-500 100-400 Berilio 300 Acero de alta resistencia 100-200 Todas las aleaciones resistencia de alta 100-200 Aleaciones de resistencia de alta 100-200 aluminio Aleaciones de Magnesio 100-200 Aleaciones de Titanio 100-200 Aleaciones de plomo Hierro fundido 3 8-10 Comentario Frágil y débil en tensión. MATERIALES PARA PATAS DE MESAS. Función Columna (cargas compresivas de soporte) Objetivo (a) (b) Minimice la masa Maximice la esbeltez Restricciones (a) (b) (c) Longitud especificado Necesidad de no doblarse bajo cargas Necesidad de no fracturar accidentalmente . Euler. Columnas Despejando r tenemos: Función objetivo 1 Índice de material Mínima masa  2 EI 1/ 4  4p  1/ 2  1  r   3  (l )     E M2  E 1/ 4 Función objetivo 2 Índice de material esbeltez .El modelo. m  r l 2 Pcrit  Despejando r y reemplazando en m tenemos:  4p  2   m ( l )   E 1/ 2       1/ 2 M1  E 1/ 2  l2   3 Er 4 4l 2 Ec. M1  E 1/ 2  Índice de material Mínima masa M2  E Índice de material esbeltez . pero costoso.5-5. Más barato que el CFRP. confiable CFRP 4-8 30-200 GFRP 3. . pero bajo M1 y M2 Excepcional M1 y M2.5 20-90 Excepcional M1 y M2. Cerámica 4-8 150-1000 Eliminado por la fragilidad. pobre M2 Madera 5-8 4-20 Barato.Material M1 M2 1/2 3 (GPa m /Mg) (GPa) Comentario Excepcional M1. tradicional. com/aa.certifiedeasy.http://www.php?isbn=I SBN:1856176630&name =Materials_Selection_in_ Mechanical_Design . . . edu.co .SELECCIÓN DE MATERIALES EN EL DISEÑO MECÁNICO (Método de Michael Ashby) Cúcuta 2012 M.Sc.barbosa@unad. Jhon Erickson Barbosa Jaimes Jhon.