Diseño de elementos de maquinas Nombre: Alfonso Franco Cruz Matricula: 1509102Salón: 1-101 Grupo: 001 Fecha: 07/04/15

Investigación #1

La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus

propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:

Metales

Cerámicos

Polímeros

Metal

Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos

conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en

temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales

forman iones electropositivos (cationes) en disolución.

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un

solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su

estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir

fácilmente calor y electricidad,(tal como el cobre) y generalmente la capacidad de

reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura

electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de

aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura,

la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con

los semiconductores.

El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con

características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la

mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no

metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. 

Procesamiento

La posibilidad de fundir un metal o una aleación depende de su composición (fijada por el intervalo de solidificación), temperatura de fusión y tensión superficial del metal fundido. Todos estos factores determinan su fluidez. Se utilizan tres tipos de fundición

En lingoteras: Se usa la fundición de primera fusión a la que se añaden los elementos de aleación necesarios que posteriormente se depositan en lingoteras de colada por gravedad o a presión.

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Investigación #1 Colada continua: En este tipo se eliminan las bolsas de aire y las secreciones,

tanto longitudinales como transversales. Mediante este sistema se obtienen barras, perfiles, etc.

Fundición en moldes: Se extraen las piezas completas.En este trabajo se utiliza el método de fundición en molde pues es el método más utilizado en el taller de fundición de empresa Planta Mecánica. hay que destacar que el proceso de obtención de pieza por fundición por diferentes procesos los cuales son(Ing.Ramon Garcia Caballero 1983):Preparación de mezcla

1. Moldeo 2. Fusión 3. Vertido 4. Desmolde ,limpieza, acabado

Cada uno de ellos dispondrá de su respectiva tecnología y se desarrollaran como dos flujos de producción paralelos los cuales en determinado momento se unirán para darle forma y terminación a la pieza como se demuestra en el siguiente diagrama de flujo.

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Investigación #1

Propiedades

Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas

son conductores de la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero

algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo

y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color; este fenómeno

se denomina policromismo.

Otras propiedades serían:

Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a

esfuerzos de compresión.

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Investigación #1

Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser

sometidos a esfuerzos de tracción.

Tenacidad: resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir

fuerzas bruscas (golpes, etc.)

Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo de tracción,

compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Suelen ser opacos o de brillo metálico, tienen alta densidad,

son dúctiles y maleables, tienen un punto de fusión alto, son duros, y son buenos

conductores (calor y electricidad).

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un

traslape entre la banda

Cerámico

Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen

aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y

resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite

elástico que se forma en un ensayo de tracción) también elevado, además

presentan un modo de rotura frágil.

Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de

fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc).

Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este

proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser

visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los poros y un módulo de Young

y una fragilidad elevados y al tener un enlace interatómico

(iónico y/o covalente),1 es imposible de realizar. Existen materiales cerámicos

cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a

la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada por la compresión de los

poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros, la

fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros.

El proceso de fabricación industrial de los materiales cerámicos contempla las siguientes etapas:

Extracción de arcillas.La extracción de arcillas se realiza en canteras y bajo estrictos controles de

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Investigación #1seguridad y respeto medioambiental. Una vez explotadas las canteras, estas se regeneran para diferentes usos, preferentemente agrícolas. 

Molienda.Tras la primera mezcla, el proceso de la molienda permite obtener el tamaño deseado de la materia prima para que pueda ser trabajada a continuación. La molienda puede ser realizada por vía seca o vía húmeda. Si se elige la primera opción, se fragmenta la arcilla a la vez que se mantienen los agregados y aglomerados de partículas, con un tamaño de partículas mayor al que resulta de utilizar la molienda por vía húmeda.  

Amasado.El proceso de amasado consiste en el mezclado íntimo con agua de las materias primas de la composición de la pasta, para obtener una masa plástica moldeable por extrusión. 

Moldeo.Actualmente se realiza el moldeo con máquinas, llamadas galleteras, que permiten obtener productos cerámicos en serie con la mayor calidad y medidas perfectas. Con este sistema, se reduce el consumo de agua en la industria y se puede trabajar con pastas cerámicas más secas.  

Cortar y apilar.Tras su paso por la galletera, el material cerámico se corta y apila, antes de su paso por los hornos de cocción. Las cortadoras son las que dan forma a la pieza cerámica que se va a producir. 

Cocción.Las piezas cerámicas se han apilado en vagonetas que se introducen en los hornos de cocción cerámica. En estos momentos, la tecnología aplicada en los hornos túneles permite lograr una producción industrial de ladrillos y tejas con un excelente rendimiento térmico. Así, se logra reducir el consumo energético y también las emisiones de gases a la atmósfera. 

Empaquetado.Los materiales cerámicos se empaquetan y almacenan para su posterior comercialización. En algunas empresas, esta función está robotizada.  

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Investigación #1Expedición.Transporte de los materiales cerámicos al punto de consumo o venta.

Propiedades

Propiedades mecánicas

Los materiales cerámicos deberían ser más resistentes que los materiales metálicos pero su fina estructura de sus enlaces evitan que haya deslizamientos, mecanismo base para una deformación clásica.

Los materiales cerámicos al igual que los metales, tienen las mismas imperfecciones cristalinas (vacantes, átomos desacomodados, pequeñas fisuras y grietas), todo eso tiende a concentrar esfuerzos y el material metálico falla por fractura.

Propiedades físicas

Pesan menos que los metales, pero más que los polímeros. Baja conductividad eléctrica. Baja conductividad térmica. Baja expansión y fallas térmicas.

Polímero

Los polímeros se definen como macromoléculas compuestas por una o varias

unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena.

Un polímero es como si uniésemos con un hilo muchas monedas perforadas por

el centro, al final obtenemos una cadena de monedas, en donde las monedas

serían los monómeros y la cadena con las monedas sería el polímero.

La parte básica de un polímero son los monómeros, los monómeros son las

unidades químicas que se repiten a lo largo de toda la cadena de un polímero,

por ejemplo el monómero del polietileno es el etileno, el cual se repite x veces a

lo largo de toda la cadena.

Procesamiento

La extrusión de polímeros es un proceso industrial mecánico, en donde se realiza una acción de prensado, moldeado del plástico, que por flujo continuo con presión y empuje, se lo hace pasar por un molde encargado de darle la forma

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Investigación #1deseada. El polímero fundido (o en estado ahulado) es forzado a pasar a través de un dado también llamado boquilla, por medio del empuje generado por la acción giratoria de un husillo(tornillo de Arquímedes) que gira concéntricamente en una cámara a temperaturas controladas llamada cañón, con una separación milimétrica entre ambos elementos. El material polimérico es alimentado por medio de una tolva en un extremo de la máquina y debido a la acción de empuje se funde, fluye y mezcla en el cañón y se obtiene por el otro lado con un perfil geométrico preestablecido.

Propiedades

Resistencia

La resistencia es una propiedad mecánica que usted podría relacionar acertadamente, pero no sabría con exactitud qué es lo que queremos significar con la palabra "resistencia" cuando hablamos de polímeros. En primer lugar, existen varios tipos de resistencia. Está la resistencia tensil.

Elongación

Pero las propiedades mecánicas de un polímero no se remiten exclusivamente a conocer cuán resistente es. La resistencia nos indica cuánta tensión se necesita para romper algo. Pero no nos dice nada de lo que ocurre con la muestra mientras estamos tratando de romperla. Ahí es donde corresponde estudiar el comportamiento de elongación de la muestra polimérica. La elongación es un tipo de deformación. La deformación es simplemente el cambio en la forma que experimenta cualquier cosa bajo tensión. Cuando hablamos de tensión, la muestra

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Investigación #1se deforma por estiramiento, volviéndose más larga. Obviamente llamamos a ésto elongación.

Por lo general, hablamos de porcentaje de elongación, que es el largo de la muestra después del estiramiento (L), dividido por el largo original (L0), y multiplicado por 100.

Módulo

Los elastómeros deben exhibir una alta elongación elástica. Pero para algunos otros tipos de materiales, como los plásticos, por lo general es mejor que no se estiren o deformen tan fácilmente. Si queremos conocer cuánto un material resiste la deformación, medimos algo llamado módulo. Para medir el módulo tensil, hacemos lo mismo que para medir la resistencia y la elongación final. Esta vez medimos la resistencia que estamos ejerciendo sobre el material, tal como procedimos con la resistencia tensil. Incrementamos lentamente la tensión y medimos la elongación que experimenta la muestra en cada nivel de tensión, hasta que finalmente se rompe.

Factor de seguridad

En los cálculos de resistencia mecánica, el factor de seguridad se aplica

principalmente de dos maneras:

1. Multiplicando el valor de las solicitaciones o fuerzas que actúan sobre un

elemento resistente por un coeficiente mayor a uno (coeficiente de

mayoración). En este caso se calcula como si el sistema fuera solicitado en

mayor medida de lo que se espera que lo sea en la realidad.

2. Dividiendo las propiedades favorables del material que determinan el

diseño por un número mayor que uno (coeficiente de minoración). En este

caso se modela el material como si fuera peor de lo que se espera que

sea.

En ambos casos el resultado es el mismo: un sobredimensionamiento del

componente.

Este sobredimensionamiento se justifica por variadas causas, como por ejemplo:

previsiones de desgaste o corrosión, posibles errores o desviaciones en las

propiedades previstas de los materiales que se manejan, diferencias entre las

propiedades tabuladas y las obtenibles en la realidad, tolerancias de fabricación o

montaje, tolerancias por incertidumbre en las solicitaciones a que se someterá el

elemento, la propia incertidumbre del método de cálculo, etc.

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Investigación #1

Los valores usados como factores de seguridad, por lo general, provienen de la

experiencia empírica o práctica, por lo cual están tabulados y contemplados en las

normas o la literatura, o bien se aplican según la experiencia personal del

diseñador. En general, para el mismo tipo de elemento dependerán del tipo de uso

o servicio que se le piense dar y de la posibilidad de riesgo derivada para usuarios

y terceras personas. Por ejemplo, para una máquina de uso continuo se usará un

factor de seguridad mayor que para una de uso esporádico.

En resistencia de materiales se aplicarán diferentes coeficientes de seguridad

dependiendo del uso del componente. Así, en el cálculo de dimensionamiento de

la sección de un cable para tender la ropa se utilizará un coeficiente de seguridad

inferior al utilizado para ese mismo cable cuando se estudia su empleo para

sustentar un ascensor.

En el caso típico el factor de seguridad se emplea en fórmulas donde aparecen

características de los materiales:límite elástico, carga de rotura, etc.

Teorías de falla

Teoría de Von Mises

La falla ocurrirá en la parte compleja cuando la energía de distorsión por volumen unitaria exceda una prueba de tensión simple en la falla.

Factor de seguridad:

Teoría de esfuerzo cortante máximo

La falla ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo en una pieza excede el esfuerzo cortante en una probeta a tensión en el punto de fluencia.

(la mitad del limite de fluencia elástico a tensión)

Factor de seguridad:

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Investigación #1

Teoría del esfuerzo normal máximo

La falla ocurrirá cuando el esfuerzo normal en la probeta llegue a cierto límite de la resistencia normal como el límite de fluencia elástico a tensión o la resistencia máxima a tensión.

Factor de seguridad:

Teoría de Coulomb Mohr

Materiales uniformes: Son los que tienen tendencia a tener una resistencia a compresión igual a la resistencia a tensión.

Materiales no uniformes: Son los materiales que tienen una resistencia mucho mayor a la comprensión que a la tensión.

Factor de seguridad:

Esfuerzo de trabajo

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Investigación #1Unidad de esfuerzo máximo permitida para el cálculo de un elemento estructural, supeditada a la carga de trabajo; las normas de edificación señalan las fatigas admisibles de los diferentes materiales de construcción basados en ensayos de laboratorio. También llamado fatiga admisible, fatiga de trabajo.

Esfuerzos aplicados vs esfuerzos principales

Se denominan esfuerzos aplicados a los que resultan producto de las cargas que actúan directamente sobre la geometría particular del objeto.

Los esfuerzos principales resultan de la combinación de esfuerzos normales y cortantes (esfuerzos aplicados), dentro de una región particular del objeto.

Esfuerzo cortante máximo

Estos esfuerzos principales son los que necesitamos encontrar, a fin de determinar la seguridad de un diseño y evitar la falla.

Un material dúctil puede definirse como aquel cuya resistencia al deslizamiento es menor que su resistencia a la separación. (La falla ocurre por fluencia)

Un material frágil es aquel cuya resistencia a la separación es menor que su resistencia al deslizamiento. (La falla ocurre por fractura)

Concentración de esfuerzos

La cantidad de concentración de esfuerzos en cualquier geometría específica se indica con un factor de concentración de esfuerzos geométrico Kt.

Cada material tiene una diferente sensibilidad a las concentraciones de esfuerzo, que se conoce como sensibilidad a las muescas o entalla del material.

Circulo de Mohr

El Círculo de Mohr es una técnica usada

en ingeniería ygeofísica para representar gráficamente un tensor simétrico (de 2x2

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Investigación #1

o de 3x3) y calcular con ella momentos de inercia,deformaciones y tensiones,

adaptando los mismos a las características de una circunferencia (radio, centro,

etc). También es posible el cálculo del esfuerzo cortante máximo absoluto y la

deformación máxima absoluta.

Este método fue desarrollado hacia 1882 por el ingeniero civil alemán  Christian

Otto Mohr (1835-1918).

Caso bidimensional

Circunferencia de Mohr para un estado de tensión bidimensional.

En dos dimensiones, la Circunferencia de Mohr permite determinar la tensión

máxima y mínima, a partir de dos mediciones de la tensión normal y tangencial

sobre dos ángulos que forman 90º:

NOTA: El eje vertical se encuentra invertido, por lo que esfuerzos positivos

van hacia abajo y esfuerzos negativos se ubican en la parte superior.

Usando ejes rectangulares, donde el eje horizontal representa latensión

normal   y el eje vertical representa la tensión cortante o tangencial   para

cada uno de los planos anteriores. Los valores de la circunferencia quedan

representados de la siguiente manera:

Centro del círculo de Mohr:

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Investigación #1

Radio de la circunferencia de Mohr:

Las tensiones máxima y mínima vienen dados en términos de esas

magnitudes simplemente por:

Estos valores se pueden obtener también calculando los valores

propios del tensor tensión que en este caso viene dado por: