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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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