Propiedades Mecánicas de los

Materiales

Prof.: Ing. Larry Segueri

1. Propiedades Mecánicas de los Materiales

Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, se presentan fuerzas resistentes en las

fibras del cuerpo que llamaremos fuerzas internas. Entre estas tenemos las

siguientes:

Fuerza interna: es la resistencia interior de un

cuerpo a una fuerza externa. Cuando usamos el

término esfuerzo, queremos decir la magnitud de la

fuerza por unidad de área.

Resistencia: la resistencia de un material es la

propiedad que tienen estos para resistir la acción de las

fuerzas. Los tres esfuerzos básicos son los de

compresión, tensión y cortante. Por lo tanto, al hablar

de la resistencia de un material debemos conocer el tipo

de esfuerzo a que estará sujeto. Por ejemplo, los

esfuerzos de tensión y compresión del acero estructural

son casi iguales, mientras que el fierro vaciado es más

resistente a compresión y relativamente débil en tensión.

Rigidez: La propiedad que tiene un material para

resistir deformaciones se llama rigidez. Si, por

ejemplo, dos bloques de igual tamaño, uno de acero

y otro de madera están sujetos a cargas de

compresión, el bloque de madera se acortara más

que el de acero. La deformación (acortamiento) de

la madera es probablemente 30 veces mayor que la

del acero, y decimos que éste último es, por lo tanto,

más rígido.

Elasticidad: es la habilidad de un

material para recuperar sus

dimensiones originales al retirar

el esfuerzo aplicado.

Plasticidad: es la capacidad de un

material para deformarse bajo la

acción de un esfuerzo y retener

dicha acción de deformación al

retirarlo.

Ductilidad: es la habilidad de un material

para deformarse antes de fracturarse. Es

una característica muy importante en el

diseño estructural, puesto que un material

dúctil es usualmente muy resistente a

cargas de impacto. Tiene además la

ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la

fractura, al hacerse visible su gran

deformación.

Plasticidad: es la capacidad de un

material para deformarse bajo la

acción de un esfuerzo y retener

dicha acción de deformación al

retirarlo.

Límite de proporcionalidad: es el punto de la curva en la gráfica de esfuerzo-deformación, hasta donde la deformación unitaria es proporcional al esfuerzo aplicado.

Punto de cedencia: es el punto en donde

la deformación del material se produce

sin incremento sensible en el esfuerzo.

Resistencia última: es el esfuerzo

máximo basado en la sección

transversal original, que puede

resistir un material.

Módulo de elasticidad: es la pendiente de la parte

recta del diagrama de esfuerzo deformación y por

consiguiente, la constante de proporcionalidad entre

el esfuerzo y la deformación unitaria. Se denomina

con la letra E y su valor para el acero es de 2,100,000

kg./cm2, la madera varía entre 77,300 y 1,237,500

kg./cm2, y del concreto es de 10,000 vf’c, en donde vf’c

es la resistencia del concreto en kg./cm2.

2. Consideraciones de Diseño 2.1. Falla y Seguridad.

La falla ocurre cuando un miembro estructural o una estructura cesan de ejecutar la

función para cual fueron diseñados. La palabra “falla” suele usarse erróneamente

con el solo significado de ruptura o fractura. La ruptura es un tipo de falla

frecuente e importante, pero no toda falla es una ruptura.

La función primaria de la mayor parte de las máquinas y estructuras diseñadas en

ingeniería es la de transmitir y soportar cargas. Un elemento de esta clase tiene que

estar diseñado y fabricado apropiadamente para resistir las cargas que se le apliquen

mientras realiza las funciones a que está destinado. Si tal elemento estuviese

diseñado y fabricado en forma inapropiada, o si las cargas reales aplicadas

excediesen a las especificaciones de diseño, esta pieza o dispositivo probablemente

fallaría al efectuar su trabajo con las posibles consecuencias serias derivados de esta.

Una maquina o estructura bien diseñada y construida reduce notablemente la

posibilidad de costosas fallas.

Ya que la función primaria de un elemento de ingeniería es la de resistir cargas, se debe relacionar la falla con la carga; esto es, la falla ocurrirá cuando las carga

alcance un cierto valor, llamada carga de falla, en el cual el elemento cesa de realizar debidamente su función.

El margen de seguridad de un miembro estructural depende de cuan cerca este de la carga de falla su carga de trabajo.

2.2. Resistencia última y Esfuerzo de ruptura

Definición: La resistencia ultima a la tensión de u material es el esfuerzo máximo

de tensión que puede resistir antes de la ruptura en un ensayo de esta naturaleza, en el que la carga se aplica lentamente. Se determina dividiendo la carga última entre

el área transversal original de la probeta (medida antes de la aplicación de la carga).

La resistencia última a la tensión es el esfuerzo correspondiente al punto más alto se la gráfica esfuerzo-deformación, y es una importante propiedad de diseño para un

material frágil.

El esfuerzo de ruptura es, como su nombre lo indica, el esfuerzo en el momento de la

ruptura.

σu = PU/A0.

2.3. Carga permisible y Esfuerzo permisible. Factor de seguridad

Definición: La máxima carga que puede soportar un elemento estructural o un

componente de maquinaria en condiciones normales de uso, es considerablemente

más pequeña que la carga ultima. Esta carga más pequeña se conoce como la carga

permisible y, en ocasiones, como la carga de trabajo o carga de diseño.

Así, solo una fracción de la capacidad última de carga del elemento se utiliza

cuando se aplica la carga permisible. El remanente de la capacidad portadora de

carga del elemento se mantiene en reserva para asegurar su desempeño seguro. La

razón de la carga última a la carga permisible se emplea para definir el factor de

seguridad. Se tiene que:

Factor de Seguridad =

Una definición alterna es:

Factor de Seguridad =

• Las dos expresiones dadas para el factor de seguridad en las ecuaciones anterior son

idénticas cuando existe una relación lineal entre la carga y el esfuerzo.

• El F.S debe cumplir lo siguiente:

• F.S=1; entonces PU=PP por lo tanto no habrá margen de seguridad.

• F.S<1; entonces PU<PP por lo tanto la probabilidad de falla se torna

inaceptablemente grande.

• F.S>>1; entonces PU>>PP por lo tanto el diseño es antieconómico y no funcional.

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