clase1
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Mechanical PropertiesTRANSCRIPT
Propiedades Mecánicas de los Materiales Metálicos
Cómo influyen en sus
aplicaciones? Por qué fallan?
FATIGA DE METALESB737 Aloha Airlines 1988.
MetalesRecursos Naturales
Cerámicos Polímeros
Compuestos
Los Materiales
Holzbrücke Rapperswil-Hurden (1523BC) (reconstruído)
Arcos ojivales góticos
Evolución de la importancia relativa de los materiales con el tiempo (M. Ashby)
Un 40% de la estructura y elementos de este avión están fabricados con compuestos de fibras de carbono y la. La bóveda superior del fuselaje es de un nuevo material llamado “GLARE”, hecho con capas de aluminio especial con capas de fibra de vidrio impregnadas en resina epoxy que es un 10% menos pesado que el aluminio tradicional pero mucho más resistente sobre todo a la fatiga.
An Aluminum alloy, Weldalite, is now made by Reynolds for high-end uses such as the liquid oxygen and liquid hydrogen external tank of the Space Shuttle, as well as, structural components in the Shuttle and Boeing aircrafts.
Example of Strength Measurements by Hardness Testing
“Stents”
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)
Cadarache, Francia (2007-2015)
TOKAMAK
Blanket
La Primera Pared deberá soportar:
Alto flujo de neutrones de 14 MeV lo que
producirá un fuerte daño estructural por
desplazamientos atómicos y formación de
burbujas gaseosas (“swelling”) lo que
implica el deterioro y la activación del material.
Deberá soportar temperaturas entre
3000C y 600°C
Actividad Residual luego de apagado el Reactor
Metal Foams
Propiedades Básicas de los Materiales
GeneralesPeso: densidad, [kg/m3]
Costo: precio/peso, [$/kg]Térmicas
ExpansiónConducción
EléctricasEs conductor? Es aislador?
MagnéticasEs magnético?
Ópticas, Acústicas, etc
RígidoFuerte (duro)TenazLiviano
Falta Rigidez! (dada por E)
Falta Dureza! (dada por sy)
Falta Tenacidad! (dada por KC)
Demasiado peso, alta densidad!
Demasiado Peso!!!
“ut tensio, sic vis”(la extensión es proporcional a la fuerza)
Bajo tensión:
Cuantifiquemos, ahora, las otras magnitudes.
Conceptos Elementales de Mecánica
• En 1676, Robert Hooke descubre:
F = k . Dx
La relación Fuerza aplicada/elongación
Es una constante. Ley de Hooke
k : depende del material y la
geometría del resorte
A
l.Fl :escribir podemos ello, por
Al
ll
Fl
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que, observa se resorte un en como alT
i
1
i
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l
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l
l
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F
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yárea el con fuerza la donormalizan Entonces,
i
i
E: Módulo de Young
En el caso de una varilla sólida:
Fuerzas que pueden actuar sobre un sólido:
1) Fuerzas de volumen (“body forces”): son, por ejemplo, las fuerzas gravitatorias o inerciales que pueden actuar sobre el cuerpo.
2) Fuerzas de superficie: (tensiones, presiones) son fuerzas que actúan y están distribuidas de alguna forma sobre un elemento de superficie del sólido; elemento que puede estar sobre la superficie exterior del sólido o en una superficie arbitraria del interior del mismo.
Tensión: intensidad de fuerza, fuerza distribuida sobre una superficie
A
FA
F//
Tensión Normal Tensión de Corte
26
26-
2
mm
N1Pa10 MPa 1
mm
N10 Pa 1
m
N 1 Pa 1
A
F ;
A
F
Tipos de solicitaciones a las que pueden estar sometidos los
materiales
0A
F
00
0
l
l
l
ll
Ensayo de Tracción
Qué pasa cuando aplicamos una fuerza sobre un metal??
• Transductores de desplazamiento:
probeta
las barras transmiten
los cambios que sufre
la probeta al LVDT
conductor
dirección de aplicación
de la fuerza
Def. Elástica (reversible)
Deformación Plástica (irreversible)
(Resistencia a la tracción)
(Límite de Fluencia)
Qué pasa cuando aplicamos una fuerza sobre un metal??
Ensayo de Tracción (Curva Tensión-Deformación)
Deformación permanente
(Rotura)
E
Para la mayoría de los metales y cerámicos, la región elástica es una
recta.
E: módulo de Young, mide la “rigidez” de un material, es decir la resistencia a deformar en forma elástica.
También tenemos que, bajo una carga de corte…
carga ~ deformación de corte
GG: Módulo de rigidez
g
MPa10
m
GN 1GPa 1E
1EE
E
32
Falta Rigidez!!!Bajo módulo.
MATERIAL YOUNG’S MODULUS [GPa]
DIAMOND 1000
TUNGSTEN CARBIDE 450-650
SILICON CARBIDE 450
BORON 441
TUNGSTEN 406
BERYLLIUM 200
STEELS 190-210
COPPER 124
TITANIUM 116
SILICON 107
SILICA GLASS 94
ALUMINUM 69
SODA GLASS 69
GRAPHITE 27
EPOXIES 3
POLYCARBONATES 2.6
NYLON 2-4
POLYESTERS 1-5
ACRYLICS 1.6-3.4
POLYPROPYLENE 0.9
POLYETHYLENES 0.2-0.7
ELASTOMERS 0.01-0.1
DATA FOR YOUNG’s MODULUS:
Por qué tanta diferencia entre materiales?
Falta dureza!!!Bajo límite de
fluencia, sy
La energía absorbida es igual a la pérdida en energía potencial del sistema, de acuerdo a la ecuación:Energía potencial perdida = MgH ( sin (q1 - 90) + cos (q2) )
Acrílico Aluminio Cobre
c cK EG
Gc :energía para crear la unidad de área de una fisura.
Kc: tenacidad a la fractura
Sin embargo, los metales también fallan.
La causa de la falla cae generalmente dentro de una de estas categorías:
1)Negligencia durante el diseño, construcción u operación de la estructura.
2)Aplicación de un diseño o material, el cual, ante situaciones no contempladas en el diseño, produce un comportamiento indeseable.
Barcos “Liberty”.
1943, fue botado 24 horas antes
Ejemplo Categoría 2:
Caso Titanic (1912)
Cold Water Sinks TITANIC!!!
El acero de construcción del Titanic era el mejor de la época.
Aceros del tipo A36 son los utilizados hoy en día como aceros de construcción.
Por ello, ese mismo tipo de acero fue utilizado en la siguiente
construcción:
Por qué colapsaron las
torres gemelas?
COMET IV(1959-1971)
Y si pensamos en los aluminios?
Boeing 787
Por qué los ingleses, siendo los primeros, perdieron la supremacía en la aviación a
reacción comercial?