Propiedades Mecánicas de los Materiales Metálicos

 Cómo influyen en sus

aplicaciones? Por qué fallan?

FATIGA DE METALESB737 Aloha Airlines 1988.

MetalesRecursos Naturales

Cerámicos Polímeros

Compuestos

Los Materiales

Holzbrücke Rapperswil-Hurden (1523BC) (reconstruído)

Arcos ojivales góticos

Evolución de la importancia relativa de los materiales con el tiempo (M. Ashby)

Un 40% de la estructura y elementos de este avión están fabricados con compuestos de fibras de carbono y la. La bóveda superior del fuselaje es de un nuevo material llamado “GLARE”, hecho con capas de aluminio especial con capas de fibra de vidrio impregnadas en resina epoxy que es un 10% menos pesado que el aluminio tradicional pero mucho más resistente sobre todo a la fatiga.

An Aluminum alloy, Weldalite, is now made by Reynolds for high-end uses such as the liquid oxygen and liquid hydrogen external tank of the Space Shuttle, as well as, structural components in the Shuttle and Boeing aircrafts.

Example of Strength Measurements by Hardness Testing

“Stents”

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)

Cadarache, Francia (2007-2015)

TOKAMAK

Blanket

La Primera Pared deberá soportar:

Alto flujo de neutrones de 14 MeV lo que

producirá un fuerte daño estructural por

desplazamientos atómicos y formación de

burbujas gaseosas (“swelling”) lo que

implica el deterioro y la activación del material.

Deberá soportar temperaturas entre

3000C y 600°C

Actividad Residual luego de apagado el Reactor

Metal Foams

Propiedades Básicas de los Materiales

GeneralesPeso: densidad, [kg/m3]

Costo: precio/peso, [$/kg]Térmicas

ExpansiónConducción

EléctricasEs conductor? Es aislador?

MagnéticasEs magnético?

Ópticas, Acústicas, etc

RígidoFuerte (duro)TenazLiviano

Falta Rigidez! (dada por E)

Falta Dureza! (dada por sy)

Falta Tenacidad! (dada por KC)

Demasiado peso, alta densidad!

Demasiado Peso!!!

“ut tensio, sic vis”(la extensión es proporcional a la fuerza)

Bajo tensión:

Cuantifiquemos, ahora, las otras magnitudes.

Conceptos Elementales de Mecánica

• En 1676, Robert Hooke descubre:

F = k . Dx

La relación Fuerza aplicada/elongación

Es una constante. Ley de Hooke

k : depende del material y la

geometría del resorte

A

l.Fl :escribir podemos ello, por

Al

ll

Fl

:elevada muy es no fuerza la si

que, observa se resorte un en como alT

i

1

i

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l

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A

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l

A

F

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yárea el con fuerza la donormalizan Entonces,

i

i

E: Módulo de Young

En el caso de una varilla sólida:

Fuerzas que pueden actuar sobre un sólido:

1) Fuerzas de volumen (“body forces”): son, por ejemplo, las fuerzas gravitatorias o inerciales que pueden actuar sobre el cuerpo.

2) Fuerzas de superficie: (tensiones, presiones) son fuerzas que actúan y están distribuidas de alguna forma sobre un elemento de superficie del sólido; elemento que puede estar sobre la superficie exterior del sólido o en una superficie arbitraria del interior del mismo.

Tensión: intensidad de fuerza, fuerza distribuida sobre una superficie

A

FA

F//

Tensión Normal Tensión de Corte

26

26-

2

mm

N1Pa10 MPa 1

mm

N10 Pa 1

m

N 1 Pa 1

A

F ;

A

F

Tipos de solicitaciones a las que pueden estar sometidos los

materiales

0A

F

00

0

l

l

l

ll

Ensayo de Tracción

Qué pasa cuando aplicamos una fuerza sobre un metal??

• Transductores de desplazamiento:

probeta

las barras transmiten

los cambios que sufre

la probeta al LVDT

conductor

dirección de aplicación

de la fuerza

Def. Elástica (reversible)

Deformación Plástica (irreversible)

(Resistencia a la tracción)

(Límite de Fluencia)

Qué pasa cuando aplicamos una fuerza sobre un metal??

Ensayo de Tracción (Curva Tensión-Deformación)

Deformación permanente

(Rotura)

E

Para la mayoría de los metales y cerámicos, la región elástica es una

recta.

E: módulo de Young, mide la “rigidez” de un material, es decir la resistencia a deformar en forma elástica.

También tenemos que, bajo una carga de corte…

carga ~ deformación de corte

GG: Módulo de rigidez

g

MPa10

m

GN 1GPa 1E

1EE

E

32

Falta Rigidez!!!Bajo módulo.

MATERIAL YOUNG’S MODULUS [GPa]

DIAMOND 1000

TUNGSTEN CARBIDE 450-650

SILICON CARBIDE 450

BORON 441

TUNGSTEN 406

BERYLLIUM 200

STEELS 190-210

COPPER 124

TITANIUM 116

SILICON 107

SILICA GLASS 94

ALUMINUM 69

SODA GLASS 69

GRAPHITE 27

EPOXIES 3

POLYCARBONATES 2.6

NYLON 2-4

POLYESTERS 1-5

ACRYLICS 1.6-3.4

POLYPROPYLENE 0.9

POLYETHYLENES 0.2-0.7

ELASTOMERS 0.01-0.1

DATA FOR YOUNG’s MODULUS:

Por qué tanta diferencia entre materiales?

Falta dureza!!!Bajo límite de

fluencia, sy

La energía absorbida es igual a la pérdida en energía potencial del sistema, de acuerdo a la ecuación:Energía potencial perdida = MgH ( sin (q1 - 90) + cos (q2) )

Acrílico Aluminio Cobre

c cK EG

Gc :energía para crear la unidad de área de una fisura.

Kc: tenacidad a la fractura

Sin embargo, los metales también fallan.

La causa de la falla cae generalmente dentro de una de estas categorías:

1)Negligencia durante el diseño, construcción u operación de la estructura.

2)Aplicación de un diseño o material, el cual, ante situaciones no contempladas en el diseño, produce un comportamiento indeseable.

Barcos “Liberty”.

1943, fue botado 24 horas antes

Ejemplo Categoría 2:

Caso Titanic (1912)

Cold Water Sinks TITANIC!!!

El acero de construcción del Titanic era el mejor de la época.

Aceros del tipo A36 son los utilizados hoy en día como aceros de construcción.

Por ello, ese mismo tipo de acero fue utilizado en la siguiente

construcción:

Por qué colapsaron las

torres gemelas?

COMET IV(1959-1971)

Y si pensamos en los aluminios?

Boeing 787

Por qué los ingleses, siendo los primeros, perdieron la supremacía en la aviación a

reacción comercial?