UNIDAD I: PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALESPara que cualquier producto, maquinas o estructura es esencial que sea segura y estable bajo las cargas ejercidas sobre aquellas durante cualquier uso previsible. El anlisis y diseo de estos dispositivos o estructuras, para que garanticen la seguridad, es el principal objetivo de esta unidad curricular.Las fallas pueden ocurrir de diversas maneras:1. El material del componente puede fracturarse totalmente. 2. El material puede deformarse en exceso bajo la carga, de tal manera que el componente ya no sea conveniente para su propsito.3. La estructura puede hacerse inestable y pandearse y por lo tanto, volverse incapaz de soportar las cargas para las que se diseo. A continuacin una pequea lista de algunos de los criterios que hay que tomar en cuenta a la hora de disear: 1. Cul es el peso y tamao fsico de la pieza fundida? 2. Dnde est su centro de gravedad? 3. Cmo se unirn las varillas a la pieza fundida y al sistema de soporte en la parte superior? 4. De qu material deben estar hechas las varillas? Cul es su resistencia? 5. Cul ser el tamao y forma de la seccin transversal de las varillas? 6. Cmo se aplicara inicialmente la carga de la pieza fundida a las varillas de manera lenta, con impacto, o con movimiento de sacudida? 7. Se utilizaran las varillas para muchos ciclos de carga durante su vida esperada? PREVENCION DE DEFORMACIN EXCESIVALos engranes se utilizan en dispositivos mecnicos transmisores de potencia como la transmisin de un camin, en bandas transportadoras o en el uso de una mquina-herramienta. Para una correcta operacin de los engranes, es esencial que estn alineados adecuadamente, con tal que los dientes del engrane de mando coincidan con precisin con los del engrane mandado. ESTABILIDAD Y PANDEO: Una estructura puede desplomarse debido a que uno de sus miembros de apoyo mas importantes es incapaz de conservar su forma bajo cargas aplicadas, aun cuando el material no falle por fractura. Un ejemplo de esto es un poste largo y delgado o columna sujeto a una fuerza de compresin dirigida hacia abajo, a cierta carga critica, la columna se pandea, es decir de repente se dobla, perdiendo su forma recta original, cuando esto ocurre, si la carga permanece aplicada, la columna se colapsara totalmente. En resumen el diseo y anlisis, al utilizar los principios de resistencia de los materiales, son necesarios para garantizar que un componente sea seguro en lo que se refiere a su resistencia, rigidez y estabilidad: Concepto de Esfuerzo: es la resistencia interna que ofrece un rea unitaria del material del que est hecho un miembro para una carga aplicada externa.

Definicin de Esfuerzo: Para algunos casos como lo es el de esfuerzo normal directo el esfuerzo, es la fuerza aplicada que se reparte uniformemente en la totalidad de la seccin transversal del miembro. En estos casos el esfuerzo puede calcularse con una simple divisin de la fuerza total por el rea de la parte que resiste la fuerza. Entonces el nivel de esfuerzo ser el mismo en un punto cualquiera de una seccin transversal cualquiera.

Esfuerzo Normal: Uno de los esfuerzos ms fundamentales de esfuerzo en el ESFUERO NORMAL, denotado por la letra griega minscula (Sigma), en donde el esfuerzo acta de manera perpendicular, o normal, a la seccin transversal del miembro de la carga. Si el esfuerzo es tambin uniforme sobre el rea de resistencia, el esfuerzo se conoce como ESFUERZO NORMAL DIRECTO.

Ejemplo de Compresin: En la figura se muestra un pedestal de soporte diseado para resistir cargas. Calcule el esfuerzo en la parte superior del cuadrado del pedestal para una carga de 27500 lb. La lnea de accin de la carga que se aplico est centrada sobre el eje del fuste, y la carga se aplica a travs de una placa gruesa que distribuye la fuerza a toda la seccin transversal del pedestal.

Ejemplo de Tensin: En la figura se muestran dos varillas circulares que soportan una pieza de fundicin que pesa 11,2 Kn. Si cada varilla tiene 12 mm de dimetro, y ambas comparten por igual la carga, calcule el esfuerzo en las varillas.

Concepto de Deformacin: Todo miembro de carga se deforma por la influencia de la carga aplicada. El eje cuadrado del pedestal de apoyo del ejemplo antes mostrado, se acorta cuando sobre el se coloca equipo pesado. Las varillas que soportan la pieza de fundicin de la figura anterior se alargan al colgar de ellas la pieza de fundicin.La deformacin puede calcularse a travs de la siguiente ecuacin:

Ejemplo de Deformacin: La siguiente figura nos muestra una fuerza de tensin axial de 10000 lb aplicada a una barra de aluminio con un dimetro de 0.75 pulg. Antes de aplicar la carga, la longitud de la barra era de 10 pulg. Luego de aplicar la carga, la longitud es de 10,023 pulg, por consiguiente decimos que la deformacin total es de 0,023 pulg.

Coeficiente de Poisson: El coeficiente de la deformacin lateral en el elemento a la deformacin axial se conoce como coeficiente de poisson, y es una propiedad del material del que est hecho el miembro de carga. Ejemplo de Deformacin: Si observamos la siguiente figura podemos aprecia r que la fuerza de tensin en la barra la larga en la direccin de la fuerza aplicada, pero al mismo tiempo el ancho de la barra se acorta. De este modo, en el elemento de esfuerzo ocurre un alargamiento y contraccin simultaneas. Puede determinarse la deformacin axial a partir del alargamiento, y de la contraccin puede determinarse la deformacin lateral. Deformacin por esfuerzo cortante: En temas anteriores se describi la deformacin normal, porque est causada por el es compresin o tensin normal, desarrollado en un miembro de carga. Bajo la influencia del esfuerzo cortante, se produce la deformacin por cortante. Modulo de Elasticidad: Para obtener una medida de la rigidez del material calculando el coeficiente del esfuerzo normal en un elemento y la deformacin correspondiente en el mismo. Esta relacin se conoce como modulo de elasticidad, y se denota por E. Un material con un valor de E elevado se deformara menos con un esfuerzo dado que uno con un valor reducido de E. Un trmino ms completo para E seria el modulo de elasticidad a tensin o compresin. Modulo de Elasticidad a cortante: El coeficiente del esfuerzo cortante y la deformacin cortante se cono ce como modulo de elasticidad a cortante, o modulo de rigidez, y se denota por G.

Relacin entre G y el coeficiente de Poisson: G es una propiedad del material, y se relaciona con el modulo de tensin y el coeficiente de Poisson por:

Metales en el diseo mecnico: Los metales por lo general se utilizan para miembros que soportan carga en edificio, puentes maquinas y una amplia variedad de productos para el consumidor. Las vigas y columnas en los edificios comerciales estn hechas de un acero estructural o aluminio. En automviles, se utilizan un gran nmeros de aceros, entre los que se incluye laminas de acero al carbono para paneles de carrocera, aleaciones de corte libre para piezas maquinadas y aleaciones de alta resistencia para engranes y piezas sometidas a cargas excesivas.El hierro colado se utiliza en bloques de motores, tambores de frenos y cabezas de cilindro. Las herramientas, resortes y otras piezas que requieren de una alta dureza y resistencia al desgastes estn hechas de aleaciones de acero que contienen una gran cantidad de carbono. Los aceros inoxidables se utilizan en equipos de transporte, productos para plantas qumicas y equipos de cocina donde se requiere resistencia a la corrosin. El aluminio tiene muchas de las aplicaciones del acero; se utiliza en muchos productos arquitectnicos y bastidores para equipo mvil. Su resistencia a la corrosin permite que se utilicen en tanques de almacenaje qumico, utensilios de cocina, equipos marinos y productos como postes indicadores para carretera, los pistones para los automviles, molduras y cuerpos troquelados de bombas y alternadores tambin son de aluminio. Obtencin de datos: Resistencia Los datos de referencia que listan las propiedades mecnicas de los metales casi siempre incluirn la resistencia ultima a la tensin y la cedencia del metal. La comparacin entre los esfuerzos reales en una pieza, con la resistencia ultima a la tensin o la resistencia a la cedencia del material del que est hecha la pieza, es el mtodo usual para evaluar lo apropiado que puede ser un material para soportar con seguridad las cargas aplicadas, ms adelante se tratara a mayor profundidad los detalles del anlisis de esfuerzos. La resistencia ultima a la tensin y la resistencia a la cedencia se determinan al probar una muestra del material en una maquina de prueba de tensin como la que est en la siguiente imagen

Rigidez: Con frecuencia es necesario determinar cuanto se deformara una pieza bajo una carga, para asegurar que la deformacin excesiva no destruya su utilidad, esto puede ocurrir a esfuerzos muy inferiores a la resistencia a la cedencia del material, en especial en miembros muy largos o en dispositivos de alta precisin. La rigidez del material es una funcin de su modulo de elasticidad, al que a veces se le conoce como modulo de Young. Ductilidad: Cuando los metales se rompen, su fractura puede clasificarse como dctil o frgil. Un material dctil se estira y cede antes de fracturarse, por lo que se origina una notoria disminucin en el rea de la seccin transversal, en la seccin fracturada, por otra parte, un material frgil se fractura de repente con poco o ningn cambio en el rea de la seccin fracturada. Los materiales dctiles se prefieren para piezas que soportan cargas repetidas o que se someten a carga de impacto debido a que, por lo general son mas resistentes a las fracturas por fatiga, y porque absorben mejor la energa de impacto. La ductilidad en los metales se mide generalmente durante la tensin, observando cuanto se ha alargado permanentemente el material luego de fracturarse. Al inicio de la prueba, se marca una longitud de calibracin en la probeta, como se muestra en la figura. La mayora de las pruebas utilizan 2.000 o 50.0 mm como longitud de calibracin, segn se muestra en la figura. Despus de que la muestra se somete a tensin hasta fracturase, las partes fracturadas se juntan, y nuevamente se mide la distancia entre las marcas. Con estos datos, se calcula el porcentaje de alargamiento, como sigue:

Se considera que un metal es dctil si su porcentaje de alargamiento es mayor del 5%. Un material con un porcentaje de alargamiento menor del 5.0%, se considera frgil y no presenta el fenmeno de cedencia. La fractura de estos materiales es repentina, sin una deformacin notable antes de su fractura definitiva. Modos de fractura: En la mayora de los diseos, un elemento de maquina o miembro estructural se considera que ha fallado cuando: 1. Se rompe; es decir, el esfuerzo supera a la resistencia ltima del material.2. El material se deforma plsticamente; es decir, se ve sometido a un esfuerzo mayor que su resistencia a la cedencia.3. Ocurre una deformacin elstica excesiva que hace que el miembro ya no sea adecuadamente para su uso propuesto.Clasificacin de los metales y aleaciones: Muchas asociaciones industriales se encargan de establecer normas para la clasificacin de metales y aleaciones. Cada una tiene su propio sistema de numeracin, convenientemente para el metal especifico regido por la norma. Pero esto a veces produce confusin, en especial cuando dos o mas conversiones se traslapan y cuando se utilizan esquemas muy distintos para denotar los metales , se introdujo el orden en la clasificacin de metales mediante el uso del Sistema de Numeracin Unificado (SNU),como se define en la norma E 527-74 (Reaprobada en 1981), Standard Practice for Numbering Metals and Alloys (UNS) ( practicas normativas para la numeracin de metales y aleaciones (SNU)) por la American Society for Testing and Materials ( Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM), Adems de listar los materiales controlados por la ASTM, la SNU coordina las designaciones de: The Aluminum Association (AA) (Asociacin del Aluminio) American Iron and Steel Institute (AISI) (Instituto Estadounidense del Hierro y el Acero) Copper Development Association (CDA)(Asociacion del Desarrollo del Cobre) ACERO: El termino acero se refiere a aleaciones de hierro y carbono y en muchos casos otros elementos . Por la gran cantidad de aceros disponibles, en la presente seccin se clasificaran como aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables y aceros estructurales. En el caso de aceros al carbono y aceros aleados, se utiliza el cdigo de designacin de 4 dgitos para definir cada aleacin. En la imagen del ejemplo anterior muestra el significado de cada digito. Los 4 dgitos deberan ser los mismos para aceros clasificados por el instituto americano del hierro y el acero (AISI) y la Sociedad de ingenieros automotrices (SAE). Por lo general, los primeros dos dgitos en una designacin de 4 dgitos para el acero denotara los principales elementos en la aleacin, adems del carbono, presentes en el acero. Por ejemplo si los ltimos dos digitos son 40, el acero tendra aproximadamente 0,4% de contenido de carbono. El carbono tiene un lugar tan prominente en la designacin de la aleacion, porque en general conforme aumenta el contenido de carbono tambin se incrementa la resistencia y dureza del acero, el contenido de carbono en terminos generales puede variar de un mnimo 0.1% a aproximadamente 1.0%, cabe hacerse notar que si bien la resistencia aumenta al aumentar el contenido de carbono, el acero tambin se vuelve ms frgil Condiciones del acero: Las propiedades mecnicas del carbono y los aceros aleados son sumamente sensibles a la manera en que se forma, y a los procesos de tratamiento trmico. En el apndice A-13 se muestra la lista de la resistencia ltima, resistencia a la cedencia y porcentaje de alargamiento de varios aceros en una amplia variedad de condiciones. Aceros Inoxidables Los aceros inoxidables reciben su nombre por su resistencia hacia la corrosin. El principal elemento de aleacin en los aceros inoxidables es el cromo, que est presente hasta en un 17% en la mayora de las aleaciones. Se utilizan un mnimo de 10.5% de cromo, y puede variar hasta alcanzar el 27%.Aunque existen ms de 40 grados de aceros inoxidables en el mercado, por lo general se categorizan en tres series que contienen aleaciones con propiedades similares. En el apndice A-14 se da una lista de propiedades de algunos aceros inoxidables. Los aceros de las series 200 y 300 tienen alta resistencia y una alta tolerancia a la corrosin. Pueden utilizarse a temperaturas hasta de650 C con una buena retencin de propiedades. Por su estructura estos aceros son en esencia no magnticos, su buena ductilidad, dureza y su buena soldabilidad, los hacen sumamente tiles para equipos de procesos qumicos, productos arquitectnicos y productos relacionados con alimentos. Aceros estructurales Se define como acero estructural a lo que se obtiene al combinar el hierro, carbono y pequeas proporciones de otros elementos tales como silicio, fsforo, azufre y oxigeno, que le contribuyen un conjunto de propiedades determinadas. El acero laminado en caliente, elaborado con fines estructurales, se le nombra como acero estructural al carbono, con lmite de fluencia de 250 mega pascales, eso es igual a 2.549Kg/cm2. Es el resultado de la aleacin del hierro y carbono. En los aceros al carbono comunes, el hierro constituye ms del 95%. Pueden estar presentes en pequeas cantidades; azufre, oxigeno, cilicio, nitrgeno, fsforo, manganeso, aluminio, cobre y nquel. Clasificacin de acuerdo a su composicin:Acero carbonizado: es la aplicacin de un recubrimiento de zinc a una lmina, solera, alambre o productos metlicos prefabricados de hierro o acero, para protegerlo contra muchos tipos de corrosin.Acero inoxidable: son acero de alta aleacin que contiene ms del 10% de cromo. Se caracteriza por su resistencia al calor, a la oxidacin y la corrosin. Resistencia a tensin, o lmite de fluencia de los aceros usados en nuestro pas. Ventajas del acero como material estructural:Tiene una gran firmeza.- La gran firmeza del acero por la unidad de peso significa que el peso de las estructura se hallar al mnimo, esto es de mucha eficacia en puentes de amplios claros. Semejanza.- Las propiedades del acero no cambian perceptiblemente con el tiempo.Durabilidad.- Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran unos tiempos indefinidos. Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensin. La naturaleza dctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando as fallas prematuras.Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energa en grandes cantidades se denomina tenacidad. Desventajas del acero como material estructural: Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosin al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse peridicamente. Costo de la proteccin contra el fuego.- Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendiosHIERRO FUNDIDOhierro colado, ms conocido comofundicin grises un tipo dealeacinconocida comofundicin, cuyo tipo ms comn es el conocido comohierro fundido gris.Elhierro grises uno de los materiales ferrosos ms empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleacin ferrosa contiene en general ms de 2% decarbonoy ms de 1% desilicio, adems demanganeso,fsforoyazufre. Una caracterstica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general comografito, adoptando formas irregulares descritas como hojuelas. Este grafito es el que da la coloracin gris a las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material.Las propiedades fsicas y en particular las mecnicas varan dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composicin qumica, rapidez de enfriamiento despus del vaciado, tamao y espesor de las piezas, prctica de vaciado, tratamiento trmico y parmetros microestructurales como la naturaleza de la matriz y la forma y tamao de las hojuelas de grafito.

PLASTICOSLos plsticos sonsustancias qumicassintticas denominadaspolmeros, de estructuramacromolecularque puede ser moldeada mediante calor o presin y cuyo componente principal es elcarbono. Estos polmeros son grandes agrupaciones demonmerosunidos mediante un proceso qumico llamado polimerizacin. Los plsticos proporcionan el balance necesario de propiedades que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto agradable y resistencia a la degradacin ambiental y biolgica.De hecho, plstico se refiere a un estado del material, pero no al material en s: los polmeros sintticos habitualmente llamados plsticos, son en realidad materiales sintticos que pueden alcanzar el estado plstico, esto es cuando el material se encuentra viscoso o fluido, y no tiene propiedades deresistenciaaesfuerzos mecnicos. Este estado se alcanza cuando el material en estado slido se transforma en estado plstico generalmente por calentamiento, y es ideal para los diferentes procesos productivos ya que en este estado es cuando el material puede manipularse de las distintas formas que existen en la actualidad. As que la palabra plstico es una forma de referirse a materiales sintticos capaces de entrar en un estado plstico, pero plstico no es necesariamente el grupo de materiales a los que cotidianamente hace referencia esta palabra.Las propiedades y caractersticas de la mayora de los plsticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plsticos especiales) son estas: fciles de trabajar ymoldear, tienen un bajo costo de produccin, poseen bajadensidad, suelen serimpermeables, buenosaislantes elctricos, aceptablesaislantes acsticos, buenosaislantes trmicos, aunque la mayora no resisten temperaturas muy elevadas, resistentes a lacorrosiny a muchos factores qumicos; algunos no sonbiodegradablesni fciles dereciclar, y si se queman, son muycontaminantes.COBRE LATON BRONCEEl latn es una aleacin decobreyzinc. Las proporciones de cobre y zinc pueden variar para crear una variedad de latones con propiedades diversas. En los latones industriales el porcentaje de Zn se mantiene siempre inferior al 20%. Su composicin influye en las caractersticas mecnicas, la fusibilidad y la capacidad de conformacin por fundicin, forja, troquelado y mecanizado. En fro, loslingotesobtenidos pueden transformarse enlminasde diferentes espesores,varillaso cortarse en tiras susceptibles de estirarse para fabricaralambres. Su densidad tambin depende de su composicin. En general, la densidad del latn ronda entre 8,4 g/cm y 8,7 g/cm.Si bien elbroncees, en cambio, principalmente una aleacin de cobre con estao, algunos tipos de latones se denominan 'bronces'. El latn es una aleacin sustitucional que se utiliza para decoracin debido a que su brillo le da un aspecto similar al deloro, para aplicaciones en que se requiere baja friccin, como cerraduras, vlvulas, etc. Para fontanera y aplicaciones elctricas, y extensamente en instrumentos musicales como trompetas y campanas, adems de platillos de bajo coste (Power Beat,PaistePST3, Planet Z) por sus propiedades acsticas.El latn es conocido por el ser humano desde pocas prehistricas, incluso antes de que el mismo zinc fuese descubierto. Entonces se produca mediante la mezcla de cobre concalamina, una fuente natural de zinc. En las villas alemanas de Breinigerberg, un antiguo sitioromano, se descubri donde exista una mina de calamina. Durante el proceso de mezclado, el zinc se extrae de la calamina y se mezcla con el cobre. El zinc puro, por otra parte, tiene un bajsimo punto de fusin como para haber sido producido por las tcnicas antiguas para el trabajo del metal.Lasaleaciones de aluminiosonaleacionesobtenidas a partir dealuminioy otros elementos(generalmentecobre,zinc,manganeso,magnesioosilicio). Forman parte de las llamadasaleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que losaceros, pero no tan resistentes a la corrosin como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de xido de aluminio (almina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo mejorar ladurezayresistenciadel aluminio, que es en estado puro un metal muy blando.Lacorrosin galvnicase produce rpidamente en las aleaciones de aluminio cuando entran en contacto elctrico conacero inoxidableu otras aleaciones con mayorelectronegatividaden un ambiente hmedo, por lo que si se usan conjuntamente deben ser adecuadamente aisladas.