Resume capitulo 1-4 Libro Ashby

ESIME unidad CULHUACAN.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALLA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL CULHUACAN

Selección y aplicación de Materiales.

Resumen capítulo 1 -4

Ashby-Selección de Materiales en Diseño Mecánico

GRUPO: 9MM2 FECHA: 28/09/15

Por:

Esparza Vázquez Heberto

Revisará:

M. en C. Christian Martínez Galindo

___________________ CALIFICACIÓN

SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE MATERIALES.


I.I Introducción y sinopsis.

'' Diseño '' es una de esas palabras que significa todo para todas las personas. Cada cosa fabricada, desde el más lírico de los sombreros de las señoras hasta la grasienta caja de engranajes, califica, en algún sentido u otro, como un diseño.

Puede significar aún más. Naturaleza, para algunos, es Diseño Divino; para otros es el diseño por la selección natural. El lector estará de acuerdo en que es necesario para reducir el campo, al menos un poco. Este resumen trata sobre el diseño mecánico, y el papel de los materiales en el mismo. Los componentes mecánicos tienen masa; que llevan cargas; conducen el calor y la electricidad; están expuestos al desgaste y a la corrosión; están hechas de uno o más materiales; tienen forma; y deben ser fabricados.

Los materiales tienen diseños limitados desde el primer hombre que hizo ropa, construyó refugios, y libró guerras. Todavía lo hacen. Pero los materiales y procesos que dan forma a ellos se desarrollan más rápido ahora que en cualquier momento anterior de la historia; los retos y oportunidades que presentan son mayores que nunca. El libro desarrolla una estrategia para enfrentar los retos y aprovechar las oportunidades.

I.2 Materiales en Diseño.

El diseño es el proceso de traducir una nueva idea o una necesidad del mercado en la información detallada de la que un producto puede ser manufacturado. Cada una de sus etapas requiere decisiones acerca de los materiales de los que el producto va a ser el hecho y el proceso para ello. Normalmente, la elección del material está determinado por el diseño. Pero a veces es al revés, el nuevo producto o la evolución del ya existente, fue elegida o hecha posible por el nuevo material. El número de materiales disponibles para la ingeniería es vasto, algo mas de 120,000 está a disposición. Y aún a pesar de la normalización se esfuerza por reducir el número, la continua aparición de nuevos materiales explotables, expande las opciones.

¿Cómo entonces, hacen los ingenieros para elegir de un vastísimo menú, el mejor de los materiales para su propósito? ¿Debe de confiar en su experiencia? Pues en el pasado lo hizo. Pasando está bella comodidad a sus aprendices quien, mucho después en sus vidas, pudieron asumir su rol cómo el mandamás de los materiales, que sabía todo acerca de las cosas que la compañía hace. Pero muchas cosas cambiaron en el mundo de la ingeniería de diseño, y todos ellos trabajan en contra del éxito de este de este modelo. Es la escala de tiempo dilatado de aprendiz, basado en el aprendizaje. Hay movilidad de trabajo que significa que el que hoy es él mandamás, mañana no lo será más. Y está la rápida evolución de la información de los materiales ya mencionados.



No hay dudas sobre el valor de la experiencia, pero una estrategia apoyándose en la experiencia basada en el aprendizaje no está en sintonía con el ritmo y la re-disposición de talento que es parte de la era de la información tecnológica.

Necesitamos un procedimiento sistemático, uno con pasos que puedan ser enseñados rápidamente, ahí está lo complicado en la decisión que alcanza, que permite la aplicación de computadoras, y con la capacidad para interactuar con las otras herramientas establecidos de diseño de ingeniería. La pregunta tiene que ser abordado en una serie de niveles, que corresponden a la etapa de diseño que se ha alcanzado. Al principio el diseño es fluido y las opciones son amplias pues se deben considerar todos los materiales. A medida que el diseño se vuelve más centrado y toma forma, los criterios de selección se agudizan y la corta lista de materiales que pueden satisfacerlas se estrecha. Entre más exactos se requieran los datos (aunque por un menor número de materiales) una diferente forma de analizar la elección debe ser utilizada. En las etapas finales de diseño, se necesitan datos precisos, pero para todavía menos materiales, tal vez sólo uno. El procedimiento debe reconocer la riqueza inicial de elección, y al mismo tiempo, proporcionar la precisión y el detalle de en cual diseño final los cálculos fueron basados.

La elección de material no puede ser hecha independientemente de la elección del proceso por el cual el material está formado, unido, terminado y/o tratado. El costo entra tanto en la elección del material como en la forma en la que el material es procesado. Así también, la influencia en el uso del material sobre el medio ambiente en el que vivimos. Y debe ser reconocido que sólo la buena ingeniería del diseño no es suficiente para vender productos. En casi todo, desde electrodomésticos a través de los automóviles y los aviones, la forma, la textura, el color, la decoración del producto, la satisfacción para quien las posee o la usa, son importantes. Este aspecto, conocido confusamente como “Diseño Industrial”, es uno que, si se descuida, puede perder el fabricante su mercado, Los buenos diseños trabajan, los excelentes diseños también dan placer.

I.3 La evolución de los materiales ingenieriles.

A través de la historia, los materiales han tenido límites en sus diseños. La era en la que el hombre era llamado por los materiales que trabajaba: Piedra, Bronce, Hierro. Y cuando el moría, los materiales que el atesoró eran quemados con el: Tutankamon en su sarcófago, Agamenón con su espada de bronce y máscara de oro, cada uno representaba la alta tecnología en su época.

Si ellos volvieran a la vida y murieran de nuevo, ¿Qué podrían tomar con ellos?

Su reloj de titanio, quizás; su raqueta de tenis reforzada con fibra de carbono, su bicicleta de compuestos metálicos, sus porta retratos, con aleaciones de cristal,



con memoria en forma de lentes con recubrimiento de carbono tipo diamante, su casco protector de poliéter etil-cetona.

Esta ni es una Era de un material, esta es la era de un inmenso rango de materiales. Nunca ha habido una Era en la cual su evolución fuera más rápida y el rango de propiedades más variada. El menú de los materiales se ha expandido tan rápidamente que los diseñadores que dejaron la universidad hace 20 años, pueden ser olvidados por no saber que la mitad ellos existen. Pero el no saberlo, es para el diseñador, riesgo para el desastre. El diseño innovador, a menudo, significa la explotación imaginativa de las propiedades que ofrecen los materiales nuevos o mejorados. Y para el hombre de la calle, el estudiante incluso, no saber, es perderse uno de los grandes acontecimientos de nuestra época: la edad de los materiales avanzados.

La evolución y su ritmo creciente con ilustrados a continuación. Los materiales Pre-históricos (>!0,000 ac. La Era de piedra.) Eran cerámicos y vidrios, polímeros naturales y compuestos. Las armas -siempre al tope de la tecnología- donde hechos de madera y piedra; edificios y puentes de rocas y madera. De origen natural el oro y plata estuvieron disponibles locamente y por su rareza, adquirieron gran influencia como moneda, pero su rol en la tecnología fue pequeño, el desarrollo rudimentario de termoquímica permitió que la extracción de, primero, el cobre y bronce, después el metal (La Era de Bronce, 4000-1000 a.c. Y la Era de hierro 1000 a.c. – 1620 d.c.) Estimularon enormes avances en tecnología.

La era del hierro (1620s) estableció el dominio de los metales en la ingeniería; y desde entonces la evolución de los aceros (1850 en adelante), aleaciones ligeras (1940) y aleaciones especiales, han consolidado su posición. Por los 1960s los “Materiales Ingenieriles” eran “Metales”. Los ingenieros fueron dando cursos en metalurgia; otros materiales fueron agregados o mencionados.



La figura 1 nos muestra la evolución de los materiales en ingeniería en el tiempo.

I.4 Caso de Estudio: la evolución de materiales en las aspiradoras.

“Barrer y usar el plumero son prácticas homicidas, consisten en tomar el polvo del suelo, mezclarlo con la atmosfera causando que puedan ser inhaladas por los habitantes de la casa. En realidad sería mejor si dejáramos en donde está el polvo.”

Lo anterior lo escribió hace mas de 100 años. Mas que cualquier generación previa, Los Victorianos y sus contemporáneos en otros países, se preocupaban por el polvo. Ellos estaban convencidos que el polvo acarreaba enfermedades y que simplemente cuando se dispersaba el polvo, como decía el doctor, era más infeccioso. No es de extrañar que se haya inventado la aspiradora.

La aspiradora de 1900 y antes funcionaban con poder humano Fig. a).

La sirvienta, se paraba firmemente en la parte de la base, bombeabauna manivela de la máquina, comprimiendo el fuelle que, a través de un cuerpo de válvulas, permitía aspirar en un solo sentido, aspirando aire a través de un metal que contenía un filtro; la aspiradora contaba con una velocidad de flujo aproximadamente de 1l/s.

Los materiales según los estándares actuales, son primitivos, el limpiador está hecho casi enteramente con materiales naturales: madera, lona, cuero, y caucho. El único metal está en las correas que conectan los fuelles (hierro dulce) y la lata



que contiene el filtro (hoja de acero templado, laminado para hacer un cilindro.) Refleja el uso de materiales en 1900.

Incluso un auto hecho en 1900, fue hecho principalmente de madera, cuero y caucho; sólo el motor y la trasmisión secundaria tenían que ser de metal. El primer aspirador de vacío apareció en 1908. Por 1950 el diseño se había convertido en el aspirador cilíndrico. Fig. b) (Con una tasa de flujo de 10 l/s). El flujo de aire es axial, dibujado a través del cilindro por un ventilador eléctrico. El ventilador ocupaba aprox. la mitad de la longitud del cilindro; el resto tiene el filtro. Un avance en el diseño es, por supuesto, la bomba de aire accionado eléctricamente. El motor, es cierto, es voluminoso y de bajo consumo de energía, pero puede funcionar continuamente son descanso.

Pero vinieron otros. Este otro, está hecho casi completamente de metal; el casco, las tapas finales, los corredores, incluso el tubo para aspirar el polvo son de acero dulce: Los metales han sustituido por completo los materiales naturales.

La evolución desde entonces ha sida rápida, impulsando por el uso innovador de nuevos materiales. El limpiador de 1985 de vacío de la Fig. c) tiene el poder de aprox. 16 chachas que trabajan a 800W.

Fig1.2 Aspiradoras a lo largo de los 1900s.



Tabla 1.1 Comparación de costo, poder y peso de las aspiradoras.

El diseño competitivo requiere el uso innovador de nuevos materiales y la explotación inteligente de sus propiedades especiales, tanto en la ingeniería como en la estética. Muchos fabricantes de aspiradoras no lograron innovarse y explotar; ahora están extintas. Ese pensamiento sombrío nos prepara para los capítulos que siguen en la que consideramos lo que se olvidaron: el uso óptimo de los materiales en el diseño.



Capítulo 2. Proceso de Diseño.

2.2 Proceso de Diseño.

El punto de donde iniciaremos es “La necesidad del Mercado” o lo llamaremos “una nueva idea “. El punto final son las especificaciones completas del producto


La necesidad del Mercado:

Requerimientos del diseño.

Concepto.

Forma de fabricación.

Detalle.

Modelado de funciones

Estudios de viabilidad

Análisis aproximado

Modelado geométrico

Métodos simulación

Modelado Costo

Modelado de componentes

Modelado de elementos finitos (FEM)

DFM, DFA

Herramientas de diseño.

Los datos correspondientes a

todos los materiales, baja precisión y detalle

Los datos para un subconjunto de los

materiales, una mayor precisión y detalle

Los datos correspondientes a material de UNO, mayor precisión y

detalle

Datos de material

necesario

Especificaciones del producto.


que cubra las necesidades o cubra la idea. Una necesidad debe ser identificada antes de que pueda cumplirse. Es esencial para definir la necesidad de precisión, es decir, formular una declaración de necesidad, a menudo en la forma “Se requiere un dispositivo para llevar a cabo la tarea X” expresado como un conjunto de requisitos de diseño.

El producto en sí se llama Sistema técnico. Un sistema técnico se compone de subconjuntos y componentes, juntos de una manera que lleva a cabo la tarea requerida, como en el desglose la fig. 2.2. Es como describir un gato (El sistema) como compuesto por una cabeza, un cuerpo y cuatro patas cada uno compuesto de componentes a su vez. Esta descomposición es una forma útil para analizar un diseño ya existente, pero no es de mucha ayuda en el propio proceso de diseño. Es decir, en la síntesis de nuevos diseños. Mejor para ese propósito, es uno basado en las ideas de análisis de sistemas. Se piensa en las entradas, salidas y flujos de información, energía y materiales, como en la siguiente fig. 2.3


Necesidad del Mercado:


Concepto.

Diseño Embebido

.

Detalle.

Definir las especificaciones Determinar estructura de función Busque principios de trabajo Evaluar y seleccionar conceptos

Desarrollar el diseño, escala, forma Modelar y analizar conjuntos Optimizar las funciones Evaluar y seleccionar diseños

Desarrollar el diseño, escala, forma Modelar y analizar conjuntos Optimizar las funciones Evaluar y seleccionar diseños

Especificaciones de Producto.

iterar


Fig 2.1 El diseño producto de la identificación de una necesidad del mercado, es la aclaración como un conjunto de requisitos de diseño, a través del concepto, realización y análisis detallado de un producto.

El diseño procede por conceptos en desarrollo para realizar las funciones en la estructura de la función, cada uno basado en un principio de trabajo. Ante esto, la etapa de diseño conceptual, todas las opciones están abiertas: el diseñador considera conceptos alternativos y las formas en que estos podrían ser separados o combinado. La siguiente etapa, forma de realización, toma los conceptos prometedores y busca analizar su funcionamiento a un nivel aproximado. Esto implica el dimensionamiento de los componentes y la selección de materiales que llevarán acabo adecuadamente en los rangos de tensión, temperatura y el medio ambiente sugeridas por los requisitos de diseño, examinando las implicaciones para el rendimiento y el costo. La etapa de realización termina con un diseño factible que pasará a la etapa de diseño detallado.

Fig. 2.2 El análisis de un sistema técnico como una ruptura en el ensamble y componentes. Material y selección de procesos es un nivel de componente.



Fig. 2.3 Los sistemas de aproximación al análisis de un sistema técnico, visto como la transformación de la energía, los materiales y la información (señales). Este enfoque, cuando se elaboró, ayuda a estructurar el pensamiento acerca de diseños alternativos.

2.3 Tipos de diseño.

No siempre es necesario empezar, por así decirlo, a partir de cero. El Diseño original hace: se trata de una nueva idea o principio de funcionamiento (el bolígrafo, el disco compacto). Nuevos materiales pueden ofrecer nuevas, únicas combinaciones de propiedades que permiten el diseño original. Así la alta pureza del silicio, activa el transistor; vidrio de alta pureza, la fibra óptica; altos imanes de fuerza coercitiva, el auricular miniatura, láseres de estado sólido del disco compacto. A veces, el nuevo material sugiere que el nuevo producto; a veces en lugar del nuevo producto exige el desarrollo de un nuevo material: la tecnología nuclear condujo el desarrollo de una serie de nuevas aleaciones de circonio y aceros inoxidables bajos en carbono; tecnología espacial estimuló el desarrollo de materiales compuestos ligeros; la tecnología de turbinas de las unidades actuales de desarrollo de aleaciones de alta temperatura y cerámica.

Diseño adaptable o de desarrollo toma un concepto existente y busca un avance gradual en el rendimiento a través de un refinamiento del principio de funcionamiento. Esto, también, a menudo es posible gracias a la evolución de los materiales: Los polímeros sustituyeron a los metales en los aparatos domésticos; fibra de carbono sustituyendo la madera en artículos deportivos. El aparato y el mercado de los deportes son grandes y competitivos. Los mercados aquí con frecuencia se han ganado (y perdido) por el modo en que el fabricante ha adaptado el producto mediante la explotación de nuevos materiales.



2.4 Diseño de herramientas y datos de materiales.

Para implementar las etapas de la figura 2.1, se hace uso de herramientas de diseño. Ellos se muestran como entradas, que se adjunta a la izquierda de la columna vertebral de la metodología de diseño en la Figura 2.5. Las herramientas permiten el modelado y la optimización de un diseño, aliviando los aspectos rutinarios de cada fase. La función-modeladora sugiere estructuras funcionales viables. Optimizadores de configuración sugieren o define formas. Los paquetes de modelado de sólidos geométricos y 3D permiten la visualización y crear archivos que se pueden descargar a los prototipos controladores numéricos y sistemas de manufactura. La optimización DFM y DFA y los costos estimados.(Design for manufacture and design for assembly.)


La necesidad del Mercado:


Concepto.

Forma de fabricación.

Detalle.

Modelado de funciones

Estudios de viabilidad

Análisis aproximado

Modelado geométrico

Métodos simulación

Modelado Costo

Modelado de componentes

Modelado de elementos finitos (FEM)

DFM, DFA

Herramientas de diseño.

Los datos correspondientes a

todos los materiales, baja precisión y detalle

Los datos para un subconjunto de los

materiales, una mayor precisión y detalle

Los datos correspondientes a material de UNO, mayor precisión y

detalle

Datos de material

necesario

Especificaciones del producto.


Fig- 2.5 El diseño producto de la identificación de una necesidad del mercado, es la aclaración como un conjunto de requisitos de diseño, a través del concepto, realización y análisis detallado de un producto.

2.5 Función, el material, y la forma de proceso.

La selección de un material y su proceso no se puede separar de la elección de la forma. Usamos la palabra '' forma '' para incluir el externo, macro-forma, y- cuando sea necesario- la interna, o la micro- forma, como en un panal o estructura celular. Para hacer la forma, el material es sometido a procesos que, en conjunto, vamos a llamar a la fabricación: se incluyen los procesos primarios de formación (como fundición y forja), los procesos de eliminación de material (mecanizado, taladrado), procesos de acabado (como el pulido) y el procesos de unión (por ejemplo, soldadura). La función, material, forma y proceso interactúan como se muestra en la fig. 2.6.

Fig. 2.6 El problema central de la selección de materiales de diseño: la interacción entre la función, material, forma y procesos.

La función dicta la elección de los materiales y la forma. El proceso es influenciado por el material: por su capacidad de conformación, mecanizado, capacidad de soldadura, calor-tratabilidad, y así sucesivamente. El proceso obviamente interactúa con forma-el proceso determina la forma, el tamaño, la precisión y, por supuesto, el costo.



2.6 Caso de estudio, dispositivos para abrir las botellas con corcho

Una botella con corcho crea una necesidad del mercado: es la necesidad de tener acceso al vino en el interior. Podríamos decirlo así: '' Se necesita un dispositivo para sacar corchos de botellas de vino. '' Pero espera. La necesidad debe ser expresada en forma de solución neutral, y esto no lo es. El objetivo es obtener acceso al vino; nuestra afirmación implica que esto se hace mediante la eliminación del corcho, y que se retira tirando. Podría haber otras maneras. Así que vamos a intentarlo de nuevo: '' Se necesita un dispositivo para permitir el acceso al vino en una botella con corcho '' (Figura 2.7) y uno podríamos añadir, '' 'con la conveniencia, a un costo reducido, y sin contaminar el vino. "

Fig 2.7

Fig. 2.8 5 posibles formas ilustradas, principios físicos ilustrados.



Fig. 2.9 Trabajando principios de implementación de los primeros tres esquemas.

Cinco conceptos para hacer esto se muestran en la Figura 2.8. En fin, son para quitar el corcho mediante tracción axial (tirando); para eliminarlo por tracciones de

corte; para empujar hacia fuera desde abajo; para pulverizarla; y por pasar del todo-golpeando el cuello de la botella quizás.

Fig 2.10 Dispositivos para remover el corcho.



Existen numerosos dispositivos para lograr los tres primeros de estos. Los otros se utilizan también, aunque por lo general sólo en momentos de desesperación. Vamos a eliminar éstos con el argumento de que pudieran contaminar el vino, y examinar los otros más de cerca, la exploración de los principios de trabajo. Figura 2.9 muestra una para cada uno.

Capítulo 3 Materiales de ingeniería y sus propiedades.

3.2 Las familias de los materiales ingenieriles.

Es útil para clasificar los materiales de la ingeniería en los seis grandes familias que se muestran en la Figura 3.1: metales, polímeros, elastómeros, cerámica, vidrios, e híbridos. Los miembros de una familia tienen ciertas características en común: propiedades similares, rutas de procesamiento similares y, a menudo, las aplicaciones similares. Los metales tienen relativamente altos módulos. La mayoría, en estado puro, son suaves y fácilmente deformados. Se pueden hacer



fuerte por aleación y mediante tratamientos térmicos, pero siguen siendo dúctiles, lo que les permite ser formados por procesos de deformación. Ciertas aleaciones de alta resistencia (aceros de resortes, por ejemplo) tienen ductilidades tan bajas como 1 por ciento, pero incluso esto es suficiente para garantizar que los rendimientos de material antes de que se fractura y que la fractura, cuando ocurre, es de un duro, tipo dúctil. En parte debido a su ductilidad, los metales son presa de la fatiga y de todas las clases de material, que son los menos resistentes a la corrosión.

Fig. 3.1 El menú de los materiales ingenieriles. Las familias básicas de los metales, cerámicos, vidrios, polímeros y elastómeros, pueden ser combinados en varias geometrías creando híbridos.

3.3 La definición de las propiedades de los materiales.

Cada material puede ser considerado como que tiene un conjunto de atributos: sus propiedades. No es un material, per se, que el diseñador busca; es una combinación específica de estos atributos: prohibido per fi l. El nombre del material es el identificador para una propiedad particular-per fi l. Las propiedades en sí son estándar: densidad, módulo, resistencia, dureza, conductividades térmicas y eléctricas, y así sucesivamente (Tabla 3.1). Por exhaustividad y precisión, son de finido, con sus límites, en esta sección.



Propiedades generales

Los densidad (unidades: kg / m3) es la masa por unidad de volumen. Medimos hoy como lo hizo Arquímedes: pesando en el aire y en un líquido de densidad conocida. El precio, Cm (unidades: $ / kg), de materiales abarca una amplia gama. Algunos costo tan poco como $ 0.2 / kg, los demás tanto como $ 1000 / kg. Los precios, por supuesto, fluctuar, y dependen de la cantidad que quieras y en su condición de '' cliente preferido '' o de otra manera. A pesar de esta incertidumbre, es útil tener un precio aproximado, útil en las primeras etapas de selección.

Propiedades mecánicas

El módulo elástico (unidades: GPa o GN / m2) se define como la pendiente de la parte líneas elásticas de la curva de tensión-deformación (Figura 3.2). El módulo de Young, E, describe la respuesta a la tensión o carga de compresión, el módulo de cizallamiento, G, describe la carga de cizallamiento y el módulo de compresibilidad, K, presión hidrostática. ? La relación de Poisson, es adimensional: es el negativo de la relación de la tensión lateral, E2, a la deformación axial, E1, en la carga axial:

Tabla 3.1 Diseño básico-límites de material y propiedades con sus unidades en SI.





En realidad, los módulos de medidas como las pendientes de las curvas de tensión-deformación son inexactas, a menudo bajo en un factor de 2 o más, a

FIg 3.3 Diagrama esfuerzo-Deformación.

causa de las contribuciones a la cepa de Inelasticidad, fluencia y otros factores. Módulos precisos se miden de forma dinámica: excitando las vibraciones naturales de una viga o alambre, o midiendo la velocidad de las ondas de sonido en el material. En un material isotrópico, los módulos están relacionados de la siguiente manera:

Las fuentes de datos, como los que se describen en el Capítulo 15 valores de la lista de los cuatro módulos. En este libro se examinan los datos de E; valores aproximados para los otros se pueden derivar de la ecuación (3.2) cuando sea necesario. El f fuerza, de un sólido? (Unidades: MPa o MN / m2) requiere una cuidadosa definición. Para los metales, identificamos? F con el 0,2 por ciento de la fuerza de fluencia desplazada Y (Figura 3.2), es decir, la tensión a la que la curva de tensión-deformación para la carga axial se desvía por una cepa de un 0,2 por ciento desde la línea lineal elástico. Es lo mismo en tensión y compresión. ? Para los polímeros, f es identificado como el estrés en el que la curva de tensión-deformación se vuelve marcadamente no lineal: por lo general, una cepa de un 1



por ciento (Figura 3.3). Esto puede ser causado por cizallamiento rendimiento: el deslizamiento irreversible de las cadenas moleculares; o puede ser causada por grietas: la formación de baja densidad, el volumen de crack-como que dispersan la luz, por lo que el polímero parece blanco.

Fig 3.3 Diagrama esfuerzo-Deformación polímero.

Los polímeros son un poco (por ciento 20) más fuerte en compresión que en tracción. Fuerza, para cerámicas y vidrios, depende en gran medida del modo de carga (Figura 3.4). En tensión, '' la fuerza '' significa que la resistencia a la fractura, t. En la compresión significa que la resistencia al aplastamiento c, que es mucho más grande.

Capítulo 4 Tablas propiedad del material.

Explorando las propiedades de material.

Las propiedades de los materiales de ingeniería tienen un período característico de los valores. El lapso puede ser grande: muchas propiedades tienen valores que van más de cinco o más décadas. Una forma de visualizar esto es como un bar-tabla como la de la figura 4.1 para la conductividad térmica. Cada barra representa un solo material. La longitud de la barra muestra el rango de conductividad exhibido por que el material en sus diversas formas. Los materiales son segregados por clase. Cada clase muestra un rango característico: metales, tienen altas conductividades; polímeros tienen una baja; cerámicas tienen una amplia gama, de menor a mayor.

Mucho más información se muestra de una forma alternativa de trazado de propiedades, ilustrados en el esquema de la figura 4.2. Aquí, una propiedad (el módulo, E, en este caso) se representa frente a otro (la densidad,) En escalas logarítmicas. Se elige el rango de los ejes para incluir todos los materiales, de la



más ligero, espumas a las más rígidas, metales pesados. A continuación, se encontró que los datos para una determinada familia de materiales (por ejemplo, polímeros) agrupan en la tabla; el sub-rango asociado con una familia material es, en todos los casos, mucho más pequeñas que la gama completa de esa propiedad. Los datos correspondientes a una misma familia pueden estar encerrados en un sobre de la propiedad, como la Figura 4.2 muestra. Dentro de ella se encuentran las burbujas que encierran clases y subclases. Todo esto es bastante simple, sólo una manera útil de conspirar datos. Pero por la elección de los ejes y escalas de manera adecuada, se pueden añadir más. La velocidad del sonido en un sólido depende de E y?; la velocidad de la onda longitudinal v, por ejemplo, es:

Para un valor fijo de v, esta ecuación parcelas como una línea recta de pendiente 1 en la Figura 4.2. Esto nos permite añadir contornos de velocidad de la onda constante a la carta: son la familia de líneas diagonales paralelas, que une los materiales en los que las ondas longitudinales viajan con la misma velocidad. Todos los gráficos permiten relaciones fundamentales adicionales de este tipo que se mostrarán. Y hay más: los parámetros de diseño de optimización llamados índices de materiales también trazan como contornos a las listas de éxitos. Pero eso viene en el capítulo 5.



FIG. 4.2 La idea de un gráfico de materiales propiedad: módulo de Young, E, se representa frente a la densidad,, en escalas de registro?. Cada clase de material ocupa una parte característica de la tabla. Las escalas de registro permiten al longitudinal elástica v¼ velocidad de la onda (E /?) Medio que se representa como un conjunto de contornos paralelos.

4.3 diagramas de las propiedades de material.

El gráfico Módulo-Densidad

Módulo y la densidad son propiedades familiares. El acero es rígido, caucho es compatible con: estos son efectos del módulo. El plomo es pesado; corcho es boyante: estos son efectos de la densidad. La figura 4.3 muestra el rango completo del módulo de Young, E, y la densidad,?, Para materiales de ingeniería. Los datos correspondientes a los miembros de una familia particular de agrupación material de juntas y pueden estar encerrados por una envoltura (línea gruesa).



Fig, 4.3 Modulo de elasticidad de Young.

El gráfico de módulo de resistencia

De acero de alta resistencia hace buenos manantiales. Pero lo mismo ocurre con el caucho. ¿Cómo es que dos de estos materiales diferentes son ambos aptos para la misma tarea? Esta y otras preguntas son respondidas por la Figura 4.5, uno de los más útiles de todas las listas. Se muestra el módulo de Young, E, representa frente a la fuerza,? F. Las calificaciones sobre '' la fuerza '' son los mismos que antes: significa límite elástico de metales y polímeros, módulo de ruptura para la cerámica, resistencia al desgarro para elastómeros, y resistencia a la tracción de compuesto y bosques; el símbolo? f se utiliza para todos ellos. Contornos de cepa rendimiento,? F / E (es decir, la cepa en la que el material deja de ser linealmente elástico), aparecen como una familia de líneas rectas paralelas. Examine estos primeros. Polímeros de ingeniería tienen grandes cepas de rendimiento de entre 0,01 y 0,1; los valores para los metales son al menos un factor de 10 más pequeño. Composites y bosques se encuentran en el contorno 0,01, tan bueno como los mejores metales. Elastómeros, por su excepcionalmente bajo módulos, tienen valores de f / E más grande que cualquier otra clase de material: típicamente 1 a 10. La distancia a la que las fuerzas inter-atómica acto es pequeña un vínculo se rompe si se estira hasta más de aproximadamente el 10



por ciento de su longitud original. Por lo tanto la fuerza necesaria para romper un enlace es aproximadamente:

El gráfico muestra que, para algunos polímeros, la cepa fracaso se aproxima a este valor. Para la mayoría de los sólidos es menos, por dos razones. Bonos En primer lugar, no localizados (aquellos en los que la energía de cohesión se deriva de la interacción de un átomo con un gran número de otros, no sólo con sus vecinos más cercanos) no se rompen cuando se corta la estructura. El enlace metálico y el enlace iónico para ciertas direcciones de cizalladura, son así; metales



muy puros, por ejemplo, el rendimiento a tensiones tan bajas como E / 10000, y el fortalecimiento de los mecanismos son necesarios para que sean útiles en la ingeniería.

El específico carta fortaleza fi co-rigidez específica

Muchos diseños, en particular las cosas que se mueven, exigen rigidez y resistencia al peso mínimo. Para ayudar con esto, los datos de la tabla anterior Volverán a dibujarse en la Figura 4.6 después de dividir, para cada material, por la densidad; muestra E /? conspirado contra? f / ?. Composites, particularmente CFRP, emergen como la clase de material con las propiedades más atractivas específicas, una de las razones de su creciente uso en la industria aeroespacial. Cerámica tienen excepcionalmente alta rigidez por unidad de peso, y la fuerza por unidad de peso es tan bueno como los metales. Los metales son penalizados debido a sus densidades relativamente altas. Polímeros, debido a que sus densidades son bajas, les va mejor en esta carta que en el último. El gráfico tiene aplicación en la selección de materiales para los manantiales de luz y dispositivos energy storage. Pero eso también tiene que esperar hasta la Sección 6.7.

La fractura gráfico de tenacidad a módulo

El aumento de la resistencia de un material es útil sólo el tiempo que sigue siendo de plástico y no falla por fractura rápida. La resistencia a la propagación de una grieta se mide por la resistencia a la fractura, K1C. Se representa frente módulo E en la Figura 4.7. La gama es grande: desde menos de 0,01 a más de 100MPa.m1 / 2. En el extremo inferior de esta gama son materiales frágiles, que, cuando está cargado, se mantienen elástica hasta que se fracturan. Para estos, la mecánica de fractura lineal elástica funciona bien, y la propia resistencia a la fractura es un bien de fi nida la propiedad. En el extremo superior se encuentran los materiales super-resistentes, todos los cuales muestran la plasticidad sustancial antes de que se rompan. Para estos valores de K1C los son aproximados, derivada de las mediciones crítico J-integral (Jc) y crítico desplazamiento grieta abertura de paso (c) (escribiendo K1C¼ (EJC) medio, por ejemplo). Son útiles para proporcionar una clasificación de materiales. La figura muestra una de las razones para el predominio de los metales en la ingeniería; casi todos tienen valores de K1C anterior 20MPa.m1 / 2, un valor a menudo citado como un mínimo para el diseño convencional.



Fig. 4.6 Modulo específico de ELp


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