elementos de diseÑo de maquinaria agrÍcola
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ELEMENTOS DE DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
Informe de antildeo sabaacutetico Fernando Aacutelvarez Mejiacutea
Profesor Titular Departamento de Ingenieriacutea Agriacutecola y Alimentos
elVNIVERSIDAO NAClOolAL DE COLOMBli
sdlr lfLl1N f)EPTO DE 811U IOacuteTFCAS
DlHLIOTECA EFi GOacuteMEZ
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
Sede Medelliacuten 2007
TABLA DE CONTENIDO
bull iacute 1- I PAG CAPlTULO r CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA 1 l UN PROCESO GENERAL DE DISENtildeO 2 CONSIDERACIONES GENRALES SOBRE MECANISMOS 17
CAPITULO n ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS 26 MECAacuteNICOS
26 1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO 2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y A LA 39
DEFORMACIOacuteN
CAPITULO m MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCClOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA 67
CAPITULO IV TEORIacuteAS DE FALLA DE LOS MATERIALES 113
1 DISENtildeO POR RESISTENCIA ESTAacuteTICA 2 FALLA POR FATIGA
CAPITULO V EJES DE TRANSMISIOacuteN 138
CAPlTULO VI VIBRACIONES MECAacuteNICAS 148
CAPlTULO VII TRENES DE ENGRANAJE 173
CAPITULO VIII CALCULO DE CORREAS Y CADENAS 189
1 CORREAS O BANDAS DE TRANSMISION 189 2 TRANSMISIOacuteN DE POTENCIA POR CADENAS 197
CAPITULO IX ELEMENTOS ROSCADOS DE SUJECCIOacuteN Y TORNILLOS 222 DE POTENCIA
CAPITULO X RESORTES 235
CAPITULO XI CALCULO DE COJINETES Y RODAMIENTOS 255
CAPlTULO XII ACOPLAMIENTOS no
ANEXO 1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) 291
ANEXO 2 FUERZA CORTANTE MOMENTO FLEXIONANTE y 309 DEFLEXIONES EN VIGAS
ANEXO 3 DIAGRAMAS PARA FACTORES TEOacuteRICOS DE 305 CONCENTRAClON DE ESFUERZOS BIBLIOGRAFIA
IUNIVFRSIIlAU KACIOlAL In eOIOMOl
SEDE MEDEIII7----shyDEPTO DE IUULfOTECAS
IVN1VFRSIDAlI NACIOllAL DE COLOMIlL4
SEDE MEJiexclFLU~
PROLOGO IgtEPTO DE U1ULl01ECAS BlnLlOTECA EFE GOMEZ
El texto que aquiacute se presenta se adapta al programa de la asignatura Mecanismos que actualmente viene impartieacutendose en la formacioacuten de los Ingenieros Agriacutecolas y serviraacute de guiacutea al estudio de las maacutequinas agriacutecolas para profesiones afines al sector agropecuario Los estudiantes deberaacuten haber adquirido un conjunto de herramientas de ingenieriacutea que consisten esencialmente de Matemaacuteticas Geometriacutea Fiacutesica y varias de las ciencias baacutesicas como la Resistencia de los Materiales Estas herramientas y ciencias constituyen la base para la praacutectica de la ingenieriacutea y por tanto en la etapa de educacioacuten universitaria es apropiado introducir algunos aspectos profesionales de la ingenieriacutea
Su estudio resulta necesario para resolver las muacuteltiples aplicaciones y situaciones praacutecticas que en el sector de la maquinaria agriacutecola puede encontrar el teacutecnico responsable del disentildeo y caacute1ctllo de piezas y sistemas mecaacutenicos
El Capitulo 1 Consideraciones generales para el disentildeo de maquinaria agriacutecola contiene un tratamiento completo del proceso general del disentildeo y un anaacutelisis funcional de maquinaria agriacutecola En el Capiacutetulo II Esfuerzo y deformacioacuten de elementos mecaacutenicos y Capiacutetulo III Materiales maacutes utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola se presenta la informacioacuten baacutesica que se considera que el estudiante deberaacute estar preparado en la mayoriacutea de estos temas pero no siempre es asiacute El material baacutesico es presentado con el simbolismo y la terminologiacutea de las partes subsiguientes del libro En el Capiacutetulo IV Teoriacuteas de falla para disentildeo de maacutequinas se integran los fundamentos de los capiacutetulos anteriores con la meta de analizar evaluar y disentildear los elementos mecamcos los Capitulos del V al XII se examinan los elementos mecaacutenicos especificos tales como ejes trenes de engranajes bandas y cadenas sujetadores resortes cojinetes rodamientos acoplamientos y el tema de las vibraciones mecaacutenicas tan importante en la formacioacuten de los ingenieros proyectistas
Confiacuteo que la temaacutetica expuesta en el texto de modo conciso y baacutesico sea uacutetil no soacutelo para los alumnos de la asignatura sino para quienes esteacuten interesados en adquirir una imprescindible formacioacuten en el campo del disentildeo y evaluacioacuten de los equipos mecaacutenicos agriacutecolas
Fernando Aacutelvarez Mejiacutea Profesor Maquinaria Agriacutecola
CAPITULO 1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRICOLA
1 UN PROCESO GENERAL DE DISENtildeO
11 Introduccioacuten
El disentildeo de maquinaria agriacutecola se dedica en buena parte al caacutelculo de transmisiones y de elementos mecaacutenicos aun cuando estos toacutepicos constituyen parte importante en el contexto general de la maquinaria agriacutecola no dejan de ser un paso dentro del proceso total de diseflO
La integracioacuten del proceso mediante un meacutetodo general permite al Ingeniero Agriacutecola tener una visioacuten maacutes exacta del diserlo de la maquinaria agriacutecola integrar los conocimientos adquiridos y seguir un procedimiento maacutes confiable
La cualidad que hace buenos disefladores es la capacidad para desarrollar su propia filosofiacutea del disentildeo La filosofiacutea de diseflo incluye organizar la metodologiacutea desde que aparece la necesidad hasta que se llegue al producto final determinando cuales son los recursos tecnoloacutegicos a usar relaciones matemaacuteticas consideraciones econoacutemicas oportunidad con fiabilidad y seguridad durante el proceso de disentildeo Para desarrollar una filosofiacutea de disentildeo el ingeniero debe sumar las destrezas ya aprendidas y aquellas que se encuentran en los libros o textos especializados para crear un producto que benefiacutecie a la humanidad y mejore la calidad de vida ahora y de las generaciones futuras
Para Shigley y Mischke Disentildear es formular un plan para satisfacer una demanda humana Para Tedeschi Proyectar en el campo mecaacutenico puede tambieacuten significar inventar pero es mucho mejor tener la idea de que es desarrollar una maacutequina que resultaraacute diferente a cualquiera otra de las existentes solamente por su disposicioacuten general por sus dimensiones o por ciertos detalles de importancia Afirma ademaacutes que inventar es un don exclusivamente personal y exquisitamente vocacional
Gasson define los disentildeadores como Aquellos quienes empleanIf
los agentes de la destreza y facilidad tecnoloacutegica y hacen uso de sus energiacuteas creativas para efectuar alguna ventaja uacutetil al hombre
Cuando se plantea una necesidad el proyectista siempre se pregunta no seraacute que el problema ha sido ya resuelto Habraacute maacutes personas trabajando en el asunto Para disentildear hay que tomar decisiones y una decisioacuten en un proyecto es siempre un compromIso El tractor Ford de 60 kW en el toma de fuerza (PTO) y el tractor Massey-Ferguson de la misma potencia son soluciones buenas para un mismo problema pero son diferentes puesto que tienen diferentes motores diferentes capacidades de lastre etc lo uacutenico que tienen igual son las piezas normalizadas (pernos tuercas y los elementos o mecanismos fabricados por un tercero)
Para un buen proyecto el disentildeador debe tener en cuenta
1 Las cargas aplicadas a la maacutequina los esfuerzos y deformaciones que estos producen
2 Materiales a utilizar y proceso de conformacioacuten de las pIezas y mecanIsmos
3 Aspectos econoacutemicos de construccioacuten
4 El factor de seguridad para cada caso
5 Las condiciones de trabajo
6 Las caracteriacutesticas maacutes recomendables para que los diferen tes mecanismos cumplan con las condiciones especiacuteficas en la maacutequina tamaiio peso operaclOn automaacutetizacioacuten etc
Asiacute como la tecnologiacutea cambia los meacutetodos y la filosofiacutea de diseflO cambian La automatizacioacuten de algunas tareas de disentildeo ha dado lugar al desarrollo del llamado disentildeo auxiliado por computadora (Computer-Aided-Design CAD) y maacutes ampliamente los sistemas CADiexclCAM (Computer-Aided-Manufacturer) herramientas poderosas
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que han proporcionado a los ingenieros un disentildeo maacutes eficiente y a maacutes bajo costo
12 El proceso de disentildeo en ingenieriacutea
La resolucioacuten de problemas de disentildeo en Ingenieriacutea es todo un proceso que comienza con el anaacutelisis de las necesidades en donde se obtienen unas especificaciones preliminares y en donde el mayor trabajo se traduce en la formulacioacuten de preguntas El reconocimiento de la necesidad supone en si mismo una capacidad de observacioacuten destacada y un conocimiento amplio del tema A medida que el proceso avanza mediante la definicioacuten anaacutelisis siacutentesis evaluacioacuten etc las especificaciones del problema se dan cada vez maacutes detalladas hasta obtener las especificaciones finales En este momento el proyecto estaacute detallado y se tiene toda la informacioacuten para IniCIar la construccioacuten del prototipo y la programacioacuten de pruebas
Este proceso posee un caraacutecter interactivo ya que muchas veces durante el mismo se descubren muchos datos o se adquieren nuevas perspectivas que exigen repetir algunos de los pasos enunciados anteriormente
Todas las fases del proceso a excepClOn de la fase creativa necesitan de bastante informacioacuten Por ejemplo para definir el problema es necesario recopilar informacioacuten procesarla y comunicarla El Ingeniero normalmente proyecta con la mayor informacioacuten disponible no necesariamente con la existente Frecuentemente los datos o ecuaciones necesarias no existen pero el proyecto del prototipo debe estar listo antes de ser construido Entonces Cuaacutel es la diferencia entre un Ingeniero con buen dominio de las ciencias baacutesicas y aplicadas y un observador experimentado con muchos antildeos de trabajo Dependiendo del grado de desconocimiento que exista en la ciencia aplicada sobre el proyecto en cuestioacuten el ingeniero puede inicialmente ser superado por el observador ya que deberaacute iniciar su trabajo en la observacioacuten y experimentacioacuten fase superada por el observador empiacuterico
A medida que el cuacutemulo de observaciones van siendo cotejadas con leyes fiacutesicas conocidas el dominio intuitivo del observador experimentado va siendo superado por el binomio observacioacutenshy
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ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
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los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
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4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
16
El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
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CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
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Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
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Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
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1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
76
Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
78
pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
81
dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
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a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
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113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
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Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
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Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
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factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
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superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
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- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
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Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
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El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
108
Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
109
La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
110
l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
111
27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
TABLA DE CONTENIDO
bull iacute 1- I PAG CAPlTULO r CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA 1 l UN PROCESO GENERAL DE DISENtildeO 2 CONSIDERACIONES GENRALES SOBRE MECANISMOS 17
CAPITULO n ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS 26 MECAacuteNICOS
26 1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO 2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y A LA 39
DEFORMACIOacuteN
CAPITULO m MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCClOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA 67
CAPITULO IV TEORIacuteAS DE FALLA DE LOS MATERIALES 113
1 DISENtildeO POR RESISTENCIA ESTAacuteTICA 2 FALLA POR FATIGA
CAPITULO V EJES DE TRANSMISIOacuteN 138
CAPlTULO VI VIBRACIONES MECAacuteNICAS 148
CAPlTULO VII TRENES DE ENGRANAJE 173
CAPITULO VIII CALCULO DE CORREAS Y CADENAS 189
1 CORREAS O BANDAS DE TRANSMISION 189 2 TRANSMISIOacuteN DE POTENCIA POR CADENAS 197
CAPITULO IX ELEMENTOS ROSCADOS DE SUJECCIOacuteN Y TORNILLOS 222 DE POTENCIA
CAPITULO X RESORTES 235
CAPITULO XI CALCULO DE COJINETES Y RODAMIENTOS 255
CAPlTULO XII ACOPLAMIENTOS no
ANEXO 1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) 291
ANEXO 2 FUERZA CORTANTE MOMENTO FLEXIONANTE y 309 DEFLEXIONES EN VIGAS
ANEXO 3 DIAGRAMAS PARA FACTORES TEOacuteRICOS DE 305 CONCENTRAClON DE ESFUERZOS BIBLIOGRAFIA
IUNIVFRSIIlAU KACIOlAL In eOIOMOl
SEDE MEDEIII7----shyDEPTO DE IUULfOTECAS
IVN1VFRSIDAlI NACIOllAL DE COLOMIlL4
SEDE MEJiexclFLU~
PROLOGO IgtEPTO DE U1ULl01ECAS BlnLlOTECA EFE GOMEZ
El texto que aquiacute se presenta se adapta al programa de la asignatura Mecanismos que actualmente viene impartieacutendose en la formacioacuten de los Ingenieros Agriacutecolas y serviraacute de guiacutea al estudio de las maacutequinas agriacutecolas para profesiones afines al sector agropecuario Los estudiantes deberaacuten haber adquirido un conjunto de herramientas de ingenieriacutea que consisten esencialmente de Matemaacuteticas Geometriacutea Fiacutesica y varias de las ciencias baacutesicas como la Resistencia de los Materiales Estas herramientas y ciencias constituyen la base para la praacutectica de la ingenieriacutea y por tanto en la etapa de educacioacuten universitaria es apropiado introducir algunos aspectos profesionales de la ingenieriacutea
Su estudio resulta necesario para resolver las muacuteltiples aplicaciones y situaciones praacutecticas que en el sector de la maquinaria agriacutecola puede encontrar el teacutecnico responsable del disentildeo y caacute1ctllo de piezas y sistemas mecaacutenicos
El Capitulo 1 Consideraciones generales para el disentildeo de maquinaria agriacutecola contiene un tratamiento completo del proceso general del disentildeo y un anaacutelisis funcional de maquinaria agriacutecola En el Capiacutetulo II Esfuerzo y deformacioacuten de elementos mecaacutenicos y Capiacutetulo III Materiales maacutes utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola se presenta la informacioacuten baacutesica que se considera que el estudiante deberaacute estar preparado en la mayoriacutea de estos temas pero no siempre es asiacute El material baacutesico es presentado con el simbolismo y la terminologiacutea de las partes subsiguientes del libro En el Capiacutetulo IV Teoriacuteas de falla para disentildeo de maacutequinas se integran los fundamentos de los capiacutetulos anteriores con la meta de analizar evaluar y disentildear los elementos mecamcos los Capitulos del V al XII se examinan los elementos mecaacutenicos especificos tales como ejes trenes de engranajes bandas y cadenas sujetadores resortes cojinetes rodamientos acoplamientos y el tema de las vibraciones mecaacutenicas tan importante en la formacioacuten de los ingenieros proyectistas
Confiacuteo que la temaacutetica expuesta en el texto de modo conciso y baacutesico sea uacutetil no soacutelo para los alumnos de la asignatura sino para quienes esteacuten interesados en adquirir una imprescindible formacioacuten en el campo del disentildeo y evaluacioacuten de los equipos mecaacutenicos agriacutecolas
Fernando Aacutelvarez Mejiacutea Profesor Maquinaria Agriacutecola
CAPITULO 1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRICOLA
1 UN PROCESO GENERAL DE DISENtildeO
11 Introduccioacuten
El disentildeo de maquinaria agriacutecola se dedica en buena parte al caacutelculo de transmisiones y de elementos mecaacutenicos aun cuando estos toacutepicos constituyen parte importante en el contexto general de la maquinaria agriacutecola no dejan de ser un paso dentro del proceso total de diseflO
La integracioacuten del proceso mediante un meacutetodo general permite al Ingeniero Agriacutecola tener una visioacuten maacutes exacta del diserlo de la maquinaria agriacutecola integrar los conocimientos adquiridos y seguir un procedimiento maacutes confiable
La cualidad que hace buenos disefladores es la capacidad para desarrollar su propia filosofiacutea del disentildeo La filosofiacutea de diseflo incluye organizar la metodologiacutea desde que aparece la necesidad hasta que se llegue al producto final determinando cuales son los recursos tecnoloacutegicos a usar relaciones matemaacuteticas consideraciones econoacutemicas oportunidad con fiabilidad y seguridad durante el proceso de disentildeo Para desarrollar una filosofiacutea de disentildeo el ingeniero debe sumar las destrezas ya aprendidas y aquellas que se encuentran en los libros o textos especializados para crear un producto que benefiacutecie a la humanidad y mejore la calidad de vida ahora y de las generaciones futuras
Para Shigley y Mischke Disentildear es formular un plan para satisfacer una demanda humana Para Tedeschi Proyectar en el campo mecaacutenico puede tambieacuten significar inventar pero es mucho mejor tener la idea de que es desarrollar una maacutequina que resultaraacute diferente a cualquiera otra de las existentes solamente por su disposicioacuten general por sus dimensiones o por ciertos detalles de importancia Afirma ademaacutes que inventar es un don exclusivamente personal y exquisitamente vocacional
Gasson define los disentildeadores como Aquellos quienes empleanIf
los agentes de la destreza y facilidad tecnoloacutegica y hacen uso de sus energiacuteas creativas para efectuar alguna ventaja uacutetil al hombre
Cuando se plantea una necesidad el proyectista siempre se pregunta no seraacute que el problema ha sido ya resuelto Habraacute maacutes personas trabajando en el asunto Para disentildear hay que tomar decisiones y una decisioacuten en un proyecto es siempre un compromIso El tractor Ford de 60 kW en el toma de fuerza (PTO) y el tractor Massey-Ferguson de la misma potencia son soluciones buenas para un mismo problema pero son diferentes puesto que tienen diferentes motores diferentes capacidades de lastre etc lo uacutenico que tienen igual son las piezas normalizadas (pernos tuercas y los elementos o mecanismos fabricados por un tercero)
Para un buen proyecto el disentildeador debe tener en cuenta
1 Las cargas aplicadas a la maacutequina los esfuerzos y deformaciones que estos producen
2 Materiales a utilizar y proceso de conformacioacuten de las pIezas y mecanIsmos
3 Aspectos econoacutemicos de construccioacuten
4 El factor de seguridad para cada caso
5 Las condiciones de trabajo
6 Las caracteriacutesticas maacutes recomendables para que los diferen tes mecanismos cumplan con las condiciones especiacuteficas en la maacutequina tamaiio peso operaclOn automaacutetizacioacuten etc
Asiacute como la tecnologiacutea cambia los meacutetodos y la filosofiacutea de diseflO cambian La automatizacioacuten de algunas tareas de disentildeo ha dado lugar al desarrollo del llamado disentildeo auxiliado por computadora (Computer-Aided-Design CAD) y maacutes ampliamente los sistemas CADiexclCAM (Computer-Aided-Manufacturer) herramientas poderosas
2
que han proporcionado a los ingenieros un disentildeo maacutes eficiente y a maacutes bajo costo
12 El proceso de disentildeo en ingenieriacutea
La resolucioacuten de problemas de disentildeo en Ingenieriacutea es todo un proceso que comienza con el anaacutelisis de las necesidades en donde se obtienen unas especificaciones preliminares y en donde el mayor trabajo se traduce en la formulacioacuten de preguntas El reconocimiento de la necesidad supone en si mismo una capacidad de observacioacuten destacada y un conocimiento amplio del tema A medida que el proceso avanza mediante la definicioacuten anaacutelisis siacutentesis evaluacioacuten etc las especificaciones del problema se dan cada vez maacutes detalladas hasta obtener las especificaciones finales En este momento el proyecto estaacute detallado y se tiene toda la informacioacuten para IniCIar la construccioacuten del prototipo y la programacioacuten de pruebas
Este proceso posee un caraacutecter interactivo ya que muchas veces durante el mismo se descubren muchos datos o se adquieren nuevas perspectivas que exigen repetir algunos de los pasos enunciados anteriormente
Todas las fases del proceso a excepClOn de la fase creativa necesitan de bastante informacioacuten Por ejemplo para definir el problema es necesario recopilar informacioacuten procesarla y comunicarla El Ingeniero normalmente proyecta con la mayor informacioacuten disponible no necesariamente con la existente Frecuentemente los datos o ecuaciones necesarias no existen pero el proyecto del prototipo debe estar listo antes de ser construido Entonces Cuaacutel es la diferencia entre un Ingeniero con buen dominio de las ciencias baacutesicas y aplicadas y un observador experimentado con muchos antildeos de trabajo Dependiendo del grado de desconocimiento que exista en la ciencia aplicada sobre el proyecto en cuestioacuten el ingeniero puede inicialmente ser superado por el observador ya que deberaacute iniciar su trabajo en la observacioacuten y experimentacioacuten fase superada por el observador empiacuterico
A medida que el cuacutemulo de observaciones van siendo cotejadas con leyes fiacutesicas conocidas el dominio intuitivo del observador experimentado va siendo superado por el binomio observacioacutenshy
3
ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
4
los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
5
reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
6
menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
13
2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
14
Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
16
El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
76
Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
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a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
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Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
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factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
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superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
106
Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
IVN1VFRSIDAlI NACIOllAL DE COLOMIlL4
SEDE MEJiexclFLU~
PROLOGO IgtEPTO DE U1ULl01ECAS BlnLlOTECA EFE GOMEZ
El texto que aquiacute se presenta se adapta al programa de la asignatura Mecanismos que actualmente viene impartieacutendose en la formacioacuten de los Ingenieros Agriacutecolas y serviraacute de guiacutea al estudio de las maacutequinas agriacutecolas para profesiones afines al sector agropecuario Los estudiantes deberaacuten haber adquirido un conjunto de herramientas de ingenieriacutea que consisten esencialmente de Matemaacuteticas Geometriacutea Fiacutesica y varias de las ciencias baacutesicas como la Resistencia de los Materiales Estas herramientas y ciencias constituyen la base para la praacutectica de la ingenieriacutea y por tanto en la etapa de educacioacuten universitaria es apropiado introducir algunos aspectos profesionales de la ingenieriacutea
Su estudio resulta necesario para resolver las muacuteltiples aplicaciones y situaciones praacutecticas que en el sector de la maquinaria agriacutecola puede encontrar el teacutecnico responsable del disentildeo y caacute1ctllo de piezas y sistemas mecaacutenicos
El Capitulo 1 Consideraciones generales para el disentildeo de maquinaria agriacutecola contiene un tratamiento completo del proceso general del disentildeo y un anaacutelisis funcional de maquinaria agriacutecola En el Capiacutetulo II Esfuerzo y deformacioacuten de elementos mecaacutenicos y Capiacutetulo III Materiales maacutes utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola se presenta la informacioacuten baacutesica que se considera que el estudiante deberaacute estar preparado en la mayoriacutea de estos temas pero no siempre es asiacute El material baacutesico es presentado con el simbolismo y la terminologiacutea de las partes subsiguientes del libro En el Capiacutetulo IV Teoriacuteas de falla para disentildeo de maacutequinas se integran los fundamentos de los capiacutetulos anteriores con la meta de analizar evaluar y disentildear los elementos mecamcos los Capitulos del V al XII se examinan los elementos mecaacutenicos especificos tales como ejes trenes de engranajes bandas y cadenas sujetadores resortes cojinetes rodamientos acoplamientos y el tema de las vibraciones mecaacutenicas tan importante en la formacioacuten de los ingenieros proyectistas
Confiacuteo que la temaacutetica expuesta en el texto de modo conciso y baacutesico sea uacutetil no soacutelo para los alumnos de la asignatura sino para quienes esteacuten interesados en adquirir una imprescindible formacioacuten en el campo del disentildeo y evaluacioacuten de los equipos mecaacutenicos agriacutecolas
Fernando Aacutelvarez Mejiacutea Profesor Maquinaria Agriacutecola
CAPITULO 1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRICOLA
1 UN PROCESO GENERAL DE DISENtildeO
11 Introduccioacuten
El disentildeo de maquinaria agriacutecola se dedica en buena parte al caacutelculo de transmisiones y de elementos mecaacutenicos aun cuando estos toacutepicos constituyen parte importante en el contexto general de la maquinaria agriacutecola no dejan de ser un paso dentro del proceso total de diseflO
La integracioacuten del proceso mediante un meacutetodo general permite al Ingeniero Agriacutecola tener una visioacuten maacutes exacta del diserlo de la maquinaria agriacutecola integrar los conocimientos adquiridos y seguir un procedimiento maacutes confiable
La cualidad que hace buenos disefladores es la capacidad para desarrollar su propia filosofiacutea del disentildeo La filosofiacutea de diseflo incluye organizar la metodologiacutea desde que aparece la necesidad hasta que se llegue al producto final determinando cuales son los recursos tecnoloacutegicos a usar relaciones matemaacuteticas consideraciones econoacutemicas oportunidad con fiabilidad y seguridad durante el proceso de disentildeo Para desarrollar una filosofiacutea de disentildeo el ingeniero debe sumar las destrezas ya aprendidas y aquellas que se encuentran en los libros o textos especializados para crear un producto que benefiacutecie a la humanidad y mejore la calidad de vida ahora y de las generaciones futuras
Para Shigley y Mischke Disentildear es formular un plan para satisfacer una demanda humana Para Tedeschi Proyectar en el campo mecaacutenico puede tambieacuten significar inventar pero es mucho mejor tener la idea de que es desarrollar una maacutequina que resultaraacute diferente a cualquiera otra de las existentes solamente por su disposicioacuten general por sus dimensiones o por ciertos detalles de importancia Afirma ademaacutes que inventar es un don exclusivamente personal y exquisitamente vocacional
Gasson define los disentildeadores como Aquellos quienes empleanIf
los agentes de la destreza y facilidad tecnoloacutegica y hacen uso de sus energiacuteas creativas para efectuar alguna ventaja uacutetil al hombre
Cuando se plantea una necesidad el proyectista siempre se pregunta no seraacute que el problema ha sido ya resuelto Habraacute maacutes personas trabajando en el asunto Para disentildear hay que tomar decisiones y una decisioacuten en un proyecto es siempre un compromIso El tractor Ford de 60 kW en el toma de fuerza (PTO) y el tractor Massey-Ferguson de la misma potencia son soluciones buenas para un mismo problema pero son diferentes puesto que tienen diferentes motores diferentes capacidades de lastre etc lo uacutenico que tienen igual son las piezas normalizadas (pernos tuercas y los elementos o mecanismos fabricados por un tercero)
Para un buen proyecto el disentildeador debe tener en cuenta
1 Las cargas aplicadas a la maacutequina los esfuerzos y deformaciones que estos producen
2 Materiales a utilizar y proceso de conformacioacuten de las pIezas y mecanIsmos
3 Aspectos econoacutemicos de construccioacuten
4 El factor de seguridad para cada caso
5 Las condiciones de trabajo
6 Las caracteriacutesticas maacutes recomendables para que los diferen tes mecanismos cumplan con las condiciones especiacuteficas en la maacutequina tamaiio peso operaclOn automaacutetizacioacuten etc
Asiacute como la tecnologiacutea cambia los meacutetodos y la filosofiacutea de diseflO cambian La automatizacioacuten de algunas tareas de disentildeo ha dado lugar al desarrollo del llamado disentildeo auxiliado por computadora (Computer-Aided-Design CAD) y maacutes ampliamente los sistemas CADiexclCAM (Computer-Aided-Manufacturer) herramientas poderosas
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que han proporcionado a los ingenieros un disentildeo maacutes eficiente y a maacutes bajo costo
12 El proceso de disentildeo en ingenieriacutea
La resolucioacuten de problemas de disentildeo en Ingenieriacutea es todo un proceso que comienza con el anaacutelisis de las necesidades en donde se obtienen unas especificaciones preliminares y en donde el mayor trabajo se traduce en la formulacioacuten de preguntas El reconocimiento de la necesidad supone en si mismo una capacidad de observacioacuten destacada y un conocimiento amplio del tema A medida que el proceso avanza mediante la definicioacuten anaacutelisis siacutentesis evaluacioacuten etc las especificaciones del problema se dan cada vez maacutes detalladas hasta obtener las especificaciones finales En este momento el proyecto estaacute detallado y se tiene toda la informacioacuten para IniCIar la construccioacuten del prototipo y la programacioacuten de pruebas
Este proceso posee un caraacutecter interactivo ya que muchas veces durante el mismo se descubren muchos datos o se adquieren nuevas perspectivas que exigen repetir algunos de los pasos enunciados anteriormente
Todas las fases del proceso a excepClOn de la fase creativa necesitan de bastante informacioacuten Por ejemplo para definir el problema es necesario recopilar informacioacuten procesarla y comunicarla El Ingeniero normalmente proyecta con la mayor informacioacuten disponible no necesariamente con la existente Frecuentemente los datos o ecuaciones necesarias no existen pero el proyecto del prototipo debe estar listo antes de ser construido Entonces Cuaacutel es la diferencia entre un Ingeniero con buen dominio de las ciencias baacutesicas y aplicadas y un observador experimentado con muchos antildeos de trabajo Dependiendo del grado de desconocimiento que exista en la ciencia aplicada sobre el proyecto en cuestioacuten el ingeniero puede inicialmente ser superado por el observador ya que deberaacute iniciar su trabajo en la observacioacuten y experimentacioacuten fase superada por el observador empiacuterico
A medida que el cuacutemulo de observaciones van siendo cotejadas con leyes fiacutesicas conocidas el dominio intuitivo del observador experimentado va siendo superado por el binomio observacioacutenshy
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ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
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los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
11
una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
12
s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
13
2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
16
El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
76
Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
87
h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
88
a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
91
Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
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factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
94
superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
CAPITULO 1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENtildeO DE MAQUINARIA AGRICOLA
1 UN PROCESO GENERAL DE DISENtildeO
11 Introduccioacuten
El disentildeo de maquinaria agriacutecola se dedica en buena parte al caacutelculo de transmisiones y de elementos mecaacutenicos aun cuando estos toacutepicos constituyen parte importante en el contexto general de la maquinaria agriacutecola no dejan de ser un paso dentro del proceso total de diseflO
La integracioacuten del proceso mediante un meacutetodo general permite al Ingeniero Agriacutecola tener una visioacuten maacutes exacta del diserlo de la maquinaria agriacutecola integrar los conocimientos adquiridos y seguir un procedimiento maacutes confiable
La cualidad que hace buenos disefladores es la capacidad para desarrollar su propia filosofiacutea del disentildeo La filosofiacutea de diseflo incluye organizar la metodologiacutea desde que aparece la necesidad hasta que se llegue al producto final determinando cuales son los recursos tecnoloacutegicos a usar relaciones matemaacuteticas consideraciones econoacutemicas oportunidad con fiabilidad y seguridad durante el proceso de disentildeo Para desarrollar una filosofiacutea de disentildeo el ingeniero debe sumar las destrezas ya aprendidas y aquellas que se encuentran en los libros o textos especializados para crear un producto que benefiacutecie a la humanidad y mejore la calidad de vida ahora y de las generaciones futuras
Para Shigley y Mischke Disentildear es formular un plan para satisfacer una demanda humana Para Tedeschi Proyectar en el campo mecaacutenico puede tambieacuten significar inventar pero es mucho mejor tener la idea de que es desarrollar una maacutequina que resultaraacute diferente a cualquiera otra de las existentes solamente por su disposicioacuten general por sus dimensiones o por ciertos detalles de importancia Afirma ademaacutes que inventar es un don exclusivamente personal y exquisitamente vocacional
Gasson define los disentildeadores como Aquellos quienes empleanIf
los agentes de la destreza y facilidad tecnoloacutegica y hacen uso de sus energiacuteas creativas para efectuar alguna ventaja uacutetil al hombre
Cuando se plantea una necesidad el proyectista siempre se pregunta no seraacute que el problema ha sido ya resuelto Habraacute maacutes personas trabajando en el asunto Para disentildear hay que tomar decisiones y una decisioacuten en un proyecto es siempre un compromIso El tractor Ford de 60 kW en el toma de fuerza (PTO) y el tractor Massey-Ferguson de la misma potencia son soluciones buenas para un mismo problema pero son diferentes puesto que tienen diferentes motores diferentes capacidades de lastre etc lo uacutenico que tienen igual son las piezas normalizadas (pernos tuercas y los elementos o mecanismos fabricados por un tercero)
Para un buen proyecto el disentildeador debe tener en cuenta
1 Las cargas aplicadas a la maacutequina los esfuerzos y deformaciones que estos producen
2 Materiales a utilizar y proceso de conformacioacuten de las pIezas y mecanIsmos
3 Aspectos econoacutemicos de construccioacuten
4 El factor de seguridad para cada caso
5 Las condiciones de trabajo
6 Las caracteriacutesticas maacutes recomendables para que los diferen tes mecanismos cumplan con las condiciones especiacuteficas en la maacutequina tamaiio peso operaclOn automaacutetizacioacuten etc
Asiacute como la tecnologiacutea cambia los meacutetodos y la filosofiacutea de diseflO cambian La automatizacioacuten de algunas tareas de disentildeo ha dado lugar al desarrollo del llamado disentildeo auxiliado por computadora (Computer-Aided-Design CAD) y maacutes ampliamente los sistemas CADiexclCAM (Computer-Aided-Manufacturer) herramientas poderosas
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que han proporcionado a los ingenieros un disentildeo maacutes eficiente y a maacutes bajo costo
12 El proceso de disentildeo en ingenieriacutea
La resolucioacuten de problemas de disentildeo en Ingenieriacutea es todo un proceso que comienza con el anaacutelisis de las necesidades en donde se obtienen unas especificaciones preliminares y en donde el mayor trabajo se traduce en la formulacioacuten de preguntas El reconocimiento de la necesidad supone en si mismo una capacidad de observacioacuten destacada y un conocimiento amplio del tema A medida que el proceso avanza mediante la definicioacuten anaacutelisis siacutentesis evaluacioacuten etc las especificaciones del problema se dan cada vez maacutes detalladas hasta obtener las especificaciones finales En este momento el proyecto estaacute detallado y se tiene toda la informacioacuten para IniCIar la construccioacuten del prototipo y la programacioacuten de pruebas
Este proceso posee un caraacutecter interactivo ya que muchas veces durante el mismo se descubren muchos datos o se adquieren nuevas perspectivas que exigen repetir algunos de los pasos enunciados anteriormente
Todas las fases del proceso a excepClOn de la fase creativa necesitan de bastante informacioacuten Por ejemplo para definir el problema es necesario recopilar informacioacuten procesarla y comunicarla El Ingeniero normalmente proyecta con la mayor informacioacuten disponible no necesariamente con la existente Frecuentemente los datos o ecuaciones necesarias no existen pero el proyecto del prototipo debe estar listo antes de ser construido Entonces Cuaacutel es la diferencia entre un Ingeniero con buen dominio de las ciencias baacutesicas y aplicadas y un observador experimentado con muchos antildeos de trabajo Dependiendo del grado de desconocimiento que exista en la ciencia aplicada sobre el proyecto en cuestioacuten el ingeniero puede inicialmente ser superado por el observador ya que deberaacute iniciar su trabajo en la observacioacuten y experimentacioacuten fase superada por el observador empiacuterico
A medida que el cuacutemulo de observaciones van siendo cotejadas con leyes fiacutesicas conocidas el dominio intuitivo del observador experimentado va siendo superado por el binomio observacioacutenshy
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ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
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los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
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Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
11
una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
12
s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
13
2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
16
El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
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Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
87
h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
88
a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
90
y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
91
Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
93
factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
94
superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
95
los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
96
La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
97
TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
99
Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
Gasson define los disentildeadores como Aquellos quienes empleanIf
los agentes de la destreza y facilidad tecnoloacutegica y hacen uso de sus energiacuteas creativas para efectuar alguna ventaja uacutetil al hombre
Cuando se plantea una necesidad el proyectista siempre se pregunta no seraacute que el problema ha sido ya resuelto Habraacute maacutes personas trabajando en el asunto Para disentildear hay que tomar decisiones y una decisioacuten en un proyecto es siempre un compromIso El tractor Ford de 60 kW en el toma de fuerza (PTO) y el tractor Massey-Ferguson de la misma potencia son soluciones buenas para un mismo problema pero son diferentes puesto que tienen diferentes motores diferentes capacidades de lastre etc lo uacutenico que tienen igual son las piezas normalizadas (pernos tuercas y los elementos o mecanismos fabricados por un tercero)
Para un buen proyecto el disentildeador debe tener en cuenta
1 Las cargas aplicadas a la maacutequina los esfuerzos y deformaciones que estos producen
2 Materiales a utilizar y proceso de conformacioacuten de las pIezas y mecanIsmos
3 Aspectos econoacutemicos de construccioacuten
4 El factor de seguridad para cada caso
5 Las condiciones de trabajo
6 Las caracteriacutesticas maacutes recomendables para que los diferen tes mecanismos cumplan con las condiciones especiacuteficas en la maacutequina tamaiio peso operaclOn automaacutetizacioacuten etc
Asiacute como la tecnologiacutea cambia los meacutetodos y la filosofiacutea de diseflO cambian La automatizacioacuten de algunas tareas de disentildeo ha dado lugar al desarrollo del llamado disentildeo auxiliado por computadora (Computer-Aided-Design CAD) y maacutes ampliamente los sistemas CADiexclCAM (Computer-Aided-Manufacturer) herramientas poderosas
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que han proporcionado a los ingenieros un disentildeo maacutes eficiente y a maacutes bajo costo
12 El proceso de disentildeo en ingenieriacutea
La resolucioacuten de problemas de disentildeo en Ingenieriacutea es todo un proceso que comienza con el anaacutelisis de las necesidades en donde se obtienen unas especificaciones preliminares y en donde el mayor trabajo se traduce en la formulacioacuten de preguntas El reconocimiento de la necesidad supone en si mismo una capacidad de observacioacuten destacada y un conocimiento amplio del tema A medida que el proceso avanza mediante la definicioacuten anaacutelisis siacutentesis evaluacioacuten etc las especificaciones del problema se dan cada vez maacutes detalladas hasta obtener las especificaciones finales En este momento el proyecto estaacute detallado y se tiene toda la informacioacuten para IniCIar la construccioacuten del prototipo y la programacioacuten de pruebas
Este proceso posee un caraacutecter interactivo ya que muchas veces durante el mismo se descubren muchos datos o se adquieren nuevas perspectivas que exigen repetir algunos de los pasos enunciados anteriormente
Todas las fases del proceso a excepClOn de la fase creativa necesitan de bastante informacioacuten Por ejemplo para definir el problema es necesario recopilar informacioacuten procesarla y comunicarla El Ingeniero normalmente proyecta con la mayor informacioacuten disponible no necesariamente con la existente Frecuentemente los datos o ecuaciones necesarias no existen pero el proyecto del prototipo debe estar listo antes de ser construido Entonces Cuaacutel es la diferencia entre un Ingeniero con buen dominio de las ciencias baacutesicas y aplicadas y un observador experimentado con muchos antildeos de trabajo Dependiendo del grado de desconocimiento que exista en la ciencia aplicada sobre el proyecto en cuestioacuten el ingeniero puede inicialmente ser superado por el observador ya que deberaacute iniciar su trabajo en la observacioacuten y experimentacioacuten fase superada por el observador empiacuterico
A medida que el cuacutemulo de observaciones van siendo cotejadas con leyes fiacutesicas conocidas el dominio intuitivo del observador experimentado va siendo superado por el binomio observacioacutenshy
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ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
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los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
12
s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
13
2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
14
Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
16
El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
76
Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
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a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
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Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
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factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
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superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
106
Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
que han proporcionado a los ingenieros un disentildeo maacutes eficiente y a maacutes bajo costo
12 El proceso de disentildeo en ingenieriacutea
La resolucioacuten de problemas de disentildeo en Ingenieriacutea es todo un proceso que comienza con el anaacutelisis de las necesidades en donde se obtienen unas especificaciones preliminares y en donde el mayor trabajo se traduce en la formulacioacuten de preguntas El reconocimiento de la necesidad supone en si mismo una capacidad de observacioacuten destacada y un conocimiento amplio del tema A medida que el proceso avanza mediante la definicioacuten anaacutelisis siacutentesis evaluacioacuten etc las especificaciones del problema se dan cada vez maacutes detalladas hasta obtener las especificaciones finales En este momento el proyecto estaacute detallado y se tiene toda la informacioacuten para IniCIar la construccioacuten del prototipo y la programacioacuten de pruebas
Este proceso posee un caraacutecter interactivo ya que muchas veces durante el mismo se descubren muchos datos o se adquieren nuevas perspectivas que exigen repetir algunos de los pasos enunciados anteriormente
Todas las fases del proceso a excepClOn de la fase creativa necesitan de bastante informacioacuten Por ejemplo para definir el problema es necesario recopilar informacioacuten procesarla y comunicarla El Ingeniero normalmente proyecta con la mayor informacioacuten disponible no necesariamente con la existente Frecuentemente los datos o ecuaciones necesarias no existen pero el proyecto del prototipo debe estar listo antes de ser construido Entonces Cuaacutel es la diferencia entre un Ingeniero con buen dominio de las ciencias baacutesicas y aplicadas y un observador experimentado con muchos antildeos de trabajo Dependiendo del grado de desconocimiento que exista en la ciencia aplicada sobre el proyecto en cuestioacuten el ingeniero puede inicialmente ser superado por el observador ya que deberaacute iniciar su trabajo en la observacioacuten y experimentacioacuten fase superada por el observador empiacuterico
A medida que el cuacutemulo de observaciones van siendo cotejadas con leyes fiacutesicas conocidas el dominio intuitivo del observador experimentado va siendo superado por el binomio observacioacutenshy
3
ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
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los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
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CRITERIOS
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(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
16
El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
76
Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
78
pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
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a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
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113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
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Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
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Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
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factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
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superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
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- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
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Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
106
Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
108
Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
ecuacioacuten utilizado por el ingeniero La pura ol)servacioacuten repetitiva acompantildeada de un anaacutelisis cualitativo del proceso conduce a una solucioacuten funcionalmente aceptable cuya distancia a la solucioacuten oacuteptima es desconocida Esa solucioacuten escapa de la definicioacuten baacutesica del proyecto de ingenieriacutea donde la necesidad humana de be ser satisfecha con maXllTIO aprovechamiento de los recursos naturales o sea debe resultar de un proceso de optimizacioacuten La observacioacuten de los fenoacutemenos por parte del ingeniero debe estar constantemente asociada a las leyes de las ciencias aplicadas y baacutesicas buscando encuadrar el proceso observado dentro de esas leyes (ecuaciones o modelos matemaacuteticos) con el fin de poder optimizarlo a traveacutes de criterios y procedimientos matemaacuteticos convencionales Esas ecuaciones son nece para hacer uso de la informaacutetica ya que la naturaleza de la informacioacuten procesada es deterministica
Despueacutes de la determinacioacuten de las ecuaciones que gobierna el proceso queda bajo el control del ingeniero extraer el maacuteximo fiacutesicamente posible (optimizar) El grado de dificultad en la iden tificacioacuten de las ecuaciones o modelos que rigen el proceso en observacioacuten aumenta una vez que el caso se aparta de la mecaacutenica claacutesica aplicada a casos conocidos tales como los materiales con comportamiento lineal independiente del tiempo como lo es el acero y otros metales
Gran nuacutemero de problemas vienen recibiendo la atencioacuten cientiacutefica necesaria para generar la ciencia aplicada en el nivcl necesario de aprovechamiento de los ingenieros Un modelo matemaacutetico de los fenoacutemenos de transferencia de calor y Inasa en el secado y almacenamiento de granos y otros productos es un buen ejemplo de esa evolucioacuten Otro ejemplo destacable es la resistencia de los materiales aplicada a las estructuras de alto grado de hiperestaticidad la cual ha evolucionado con el auxilio de la informaacutetica al punto de permitir el dimensionamiento de piezas de geometriacutea compleja (ejes chasis etc) sin limitaciones con relacioacuten a las condiciones de carga forma tipos de viacutenculos o materiales
Nuevos ecuacionamientos del comportamiento mecaacutenico materiales son observados progresivamente en el campo de la ciencia aplicada tales como el comportamiento viscoeacutelastico de
IIjlijFHSIIHIl NACIOAL IH COLOMBIA
Sfor MEmLUr- UEPTO DE HIBLlOTECAS
8IBLlOTECA EFE (OMEZ
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los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
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4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
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El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
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El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
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movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
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Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
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Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
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1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
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al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
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~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
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Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
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para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
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---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
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Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
80
las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
81
dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
82
capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
83
103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
85
aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
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a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
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113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
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Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
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Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
93
factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
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superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
99
Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
105
Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
106
Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
107
Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
108
Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
109
La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
110
l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
111
27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
los productos bioloacutegicos con fuerte participacioacuten de la variable tiempo en su comportamiento reoloacutegico como es el caso de las presiones sobre superficies de frutas y hortalizas generadas por los componen tes de las maacutequinas agriacutecolas
Otros materiales como los elastoacutemeros no suficien temen te conocidos en su comportamiento mecaacutenico gana espacios en las aplicaciones agriacutecolas Compuestos de caucho con bajo moacutedulo de elasticidad y comportamiento elaacutestico no lineal soportan grandes deformaciones especiacuteficas y consecuentemente limitan la utilizacioacuten de los recursos matemaacuteticos como el principio de superposicioacuten que se apoya en la linealidad del comportamiento carga-deformacioacuten
La peculiar estructura molecular de los poliacutemeros de cadenas extremadamente largas de baja ramificacioacuten y de alta densidad relativa y grado cristalino les confiere notables propiedades traducidas en un bajo coeficiente de friccioacuten acompantildeado de propiedades de perfecto deslizamiento antiadherencia autolubricacioacuten y maXlma resistencia al impacto y una sobresaliente resistencia a la abrasioacuten
La raacutepida difusioacuten de las recursos de informaacutetica junto con la utilizacioacuten creciente de los recursos de las aacutereas exactas en la agricultura estaacuten acelerando la generacioacuten de las leyes del comportamiento mecaacutenico de los materiales menos convencionales
El comportamiento mecaacutenico de elementos de prueba de geometriacutea regular (cubo cilindro etc) es faacutecilmente ecuacionable Elementos mayores de geometriacutea irregular pueden ser representados por la superposicioacuten de un nuacutemero y disposicioacuten adecuada de cuerpos menores de geometriacutea regular (elementos finitos) y comportamientos conocido hasta predecir el comportamiento del elemento en estudio maacutes complejo
13 Desarrollo del proceso general de diseiio
- Estudio de factibilidad El propoacutesito de este estudio es obtener un conjunto de soluciones uacutetiles para el problema del proyecto como se muestra en la figura 1 Dicho estudio comienza con el anaacutelisis de las necesidades la meta de este anaacutelisis es determinar las necesidades
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reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
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El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
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El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
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movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
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maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
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Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
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b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
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~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
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Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
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para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
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recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
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Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
86
que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
87
h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
88
a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
90
y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
91
Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
93
factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
94
superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
95
los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
96
La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
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El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
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corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
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tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
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El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
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Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
reales que el sistema debe satisfacer En el siguiente paso se realiza el anaacutelisis de la actividad el cual consiste en un estudio de las condiciones que limitan el sistema La meta de este estudio estaacute en determinar los liacutemites y las condiciones llmitantes que se aplicaraacuten al sistema y con los cuales deberaacute coincidir dicho sistema antes de poderlo considerar como una solucioacuten posible el anaacutelisis de la actividad estaacute basado en el anaacutelisis de las entradas y salidas exigidas a un sistema cuya forma es desconocida
ANALlSIS DE ~IECESIDADES
ANALlSIS DE AcnmiddotIDADES
FuumlFHv1I)LACI O~l DEL SISTElvlA
META
DIF ICULTADES
RECURSOS
RESTR1CCIuumlNES
CRITERIOS
SOLLJCICI] POSIBLE
(SISTEtv1A O
---_
Figura 1 Elementos utilizados para alcanzar una solucioacuten posible a un problema dado
Definicioacuten El problema de disentildeo se debe definir en forma amplia y precisa sin considerar detalles y sin preocuparse por soluciones En general la definicioacuten del problema debe incluir la mayor parte del problema total pues a mayores subdivisiones
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menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
12
s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
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El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
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El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
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movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
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maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
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CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
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En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
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Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
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Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
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Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
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Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
88
a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
90
y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
91
Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
93
factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
94
superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
95
los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
96
La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
97
TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
99
Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
101
El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
102
corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
103
tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
104
El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
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Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
menor posibilidad de que la solucioacuten resulte oacuteptima En esta etapa se hace un esfuerzo por entender el problema enunciar las metas que se propone alcanzar el disentildeador y verificar la validez de la existencia econoacutemica de la necesidad
La formulacioacuten del problema es como un corolario de esa necesidad reconocida que pretende satisfacerse con la existencia de la maacutequina Un problema bien formulado permite abordar las distintas fases del proyecto con seguridad y eficacia Para esto se debe conocer la actividad que se va a desarrollar los objetivos que se pretenden alcanzar recursos economlCOS materiales y humanos el entorno de trabajo del equIpo restricciones y tolerancias
- Anaacutelisis Una vez definido el pro blema se siguen determinando especificaciones las cuales puedan comprender paraacutemetros restricciones y criterios Esta parte del procesamiento estaacute caracterizada por la gran cantidad de preguntas que hay que formular El anaacutelisis del problema implica la recopilacioacuten y procesarlo de gran cantidad de informacioacuten Al finalizar esta fase el problema debe quedar claramente definido en teacuterminos teacutecnicos
- Siacuten tesis El paso de la sIacuten tesis se inicia formalmen te despueacutes que el problema ha sido comprendido El objetivo es idear diversas soluciones posibles En teacuterminos generales el disentildeador puede iniciar la buacutesqueda de las soluciones siguiendo uno de los siguientes caminos 1) encontrar el maacuteximo nuacutemero de soluciones posibles 2) organizar las investigaciones y razonamientos de tal forma que se obtengan soluciones baacutesicamente diferentes y 3) sistematizar la forma de hacer preguntas de combinar ideas de examinar soluciones anaacutelogas y de modificar las variables de solucioacuten
Con la siacutentesis se llega a un plan completo de todos los elementos que van a componer la maacutequina A partir de las ideas genera1es de la ~aacutequina se van detallando los oacuterganos funCiOnales que 1n tervienen Se realiza la eleccioacuten del
necanismo el tipo de accionamiento tipo de control cte No sIempre la primera siacutentesis es la definitiva Lo normal es que se vuelva sobre ella en ciclos reiterados hasta alcanzar la solucioacuten oacuteptima deseada
I 7 UNlvrl~sml1 iexcliCIOltAL IH COLOMfllA ----- sdit UiiiiLI~
DEITO 1)1 BIBLIOTECAS BWLlOTECA EFE GOMEZ
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
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4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
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El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
18
movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
19
maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
22
b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
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CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
72
~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
73
Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
74
para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
75
---------------------------------
recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
76
Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
78
pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
79
termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
80
las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
81
dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
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que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
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h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
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a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
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113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
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y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
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Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
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Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
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factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
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superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
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los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
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La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
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- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
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Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
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El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
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corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
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tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
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El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
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Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
Evaluacioacuten Existen dos consideraciones baacutesicas para la evaluacioacuten 1) la economiacutea proyectada del producto y 2) la tecnologiacutea en progreso y la obsolescencia teacutecnica Hay necesidad de comparar las ideas de diseiacute10 y encontrar los meacuteritos relativos ventajas y desventajas asociadas con cada una Por medio de esta composicioacuten se pueden determinar los valores relativos de cada alternativa Las bases que permitan solucionar la mejor solucioacuten son los criterios los cuales deben ser definidos en teacuterminos generales durante el anaacutelisis del problema En cualquier forma deben verificarse los siguientes pasos 1) seleccionar los criterios 2) predecir la efectividad de las diversas soluciones 3) comparar las efectividades pronosticadas de las diversas soluciones y 4) hacer una eleccioacuten
14 Formalizacioacuten del proyecto
El proyecto preliminar o anteproyecto tiene como finalidad establecer cuaacutel de las alternativas propuestas es el mejor concepto del proyecto En esta etapa se realizan estudios para establecer la amplitud del dominio dentro del cual tendraacuten que controlarse los paraacutemetros fundamentales del proyecto
La importancia de usar un producto comercial debe resaltarse El disentildeador debe examinar los costos de manufactura y compararlos con los disponibles en el comercio en donde existen especialistas que casi sin excepcioacuten puede manufacturar un producto maacutes barato y de mayor claridad
El anteproyecto es la base que seraacute usada para suministrar estimativos preliminares de costos para materiales mano de obra y manufactura es tambieacuten la base para posteriores detalles Las notas descriptivas sirven para describir maacutes completamente el producto Las notas deben especificar tolerancias de los principales componentes tratamientos teacutermicos terminados materiales proveedores de partes especiales y cualquier otra informacioacuten relevan te del proyecto Si asiacute 10 considera el diseiacute1ador el traacutemite de la patente debe estar asociada con estas actividades
Aprobado el anteproyecto se procede a desarrollar la informacioacuten detallada del diseiio del sistema Asiacute como un
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sistema puede estar compuesto de varios subsistemas un subshysistema puede comprender varios componentes y un componente varias partes los cuales se han desarrollado de modo semejante
El anteproyecto indicoacute los materiales y tamantildeos de las partes pero no suministroacute todas las dimensiones detalladas e informacioacuten para manufactura En el proyecto los dibujos detallados deberaacuten mostrar toda la informacioacuten necesana dimensiones con sus respectivas tolerancias materiales acabados superficiales etc y cualquier nota que requiera la manufactura de las partes
En el proyecto debe incluirse
Memoria definitiva y justificacioacuten de soluciones dimensionado y proceso de fabricacioacuten de todos los elementos o pIezas memona de caacutelculos y anexos complementarios Planos generales y de detalle Presupuesto de fabricacioacuten Programa de mantenimiento Pliego de condiciones con la normatividad existente para piezas procesos y materiales
15 Ejecucioacuten del proyecto
Ejecutar el proyecto es llevar a cabo su construccioacuten siguiendo las especificaciones establecidas Cuando se inicia deben revisarse completamente los planos instalaciones y campos de experimentacioacuten la instrumentacioacuten para mediciones y todos los equipos para su produccioacuten Es praacutectico realizar primero modelos a escala del conjunto o partes de eacuteL De esta manera se va progresando hasta la construccioacuten del prototipo con el que se haraacuten los primeros ensayos y pruebas y se obtendraacuten experiencias completas cuando es sometido a las diferentes cargas y condiciones de trabajo La informacioacuten es registrada considerando el comportamiento y seraacute importante para inspeccionar el proyecto hasta considerarlo satisfactorio De aquiacute se pasa a la fabricacioacuten en serie primero de pequeuacuteas series cuya salida al mercado al trabajar en condiciones diversas y reales aportan nuevos datos que con evaluaciones tanto teacutecnicas como comerciales permitiraacuten decidir sobre la
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fabricacioacuten de senes mayores y proceder a la explotacioacuten total del proyecto
16 Coacutedigos y normas
Un coacutedigo es un conjunto de especificaciones para efectuar el anaacutelisis el disentildeo la fabricacioacuten y la construccioacuten de un objeto o sistema Su propoacutesito es alcanzar un grado de seguridad especificado buen funcionamiento y buena calidad
Una norma o estaacutendar es un conjunto de especificaciones para piezas materiales o procesos establecidos con el fin de lograr eficiencia uniformidad y calidad especificadas
La normalizacioacuten es el conjunto de normas generales para todos los fabricantes comunes a un paiacutes o con aacutembito internacional Su objeto es establecer reglas que faciliten la produccioacuten en serie y el intercambio de productos a nivel nacional e internacional con el cumplimiento de usos miacutenimos de calidad que garanticen el producto
La normalizacioacuten tiene ventajas para los fabricantes le permite racionalizar variedades y tipos de productos les facilita la produccioacuten y el intercambio de piezas disminuye el volumen de existencias en almaceacuten mejora la gestioacuten y el disei1o facilita la comercializacioacuten de los productos y su exportacioacuten y simplifica la gestioacuten de compras
Para los consumidores la normalizacioacuten establece niveles de calidad y seguridad de los productos y servicios suministra informacioacuten de las caracteriacutesticas del producto y facilita la comparacioacuten entre varias ofertas
Los elementos normalizados incluyen las unidades y sistemas de medida los elementos constructivos las dimensiones de las piezas la designacioacuten de materiales las tolerancias y grados de precisioacuten los procesos de elaboracioacuten los procedimientos de ensayo medicioacuten y anaacutelisis las condiciones de suministro la seguridad y la ergonomiacutea
La normalizacioacuten es establecida por comiteacutes o institutos de los paises tecnoloacutegicamente desarrollados que generan documentos
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teacutecnicos que contienen especificaciones de aplicacioacuten voluntaria Las normas maacutes importantes son las normas ISO DIN Y UNE
17 El factor de seguridad para disentildeo
Al tratar con esfuerzo y resistencia uno de los problemas con que se enfrenta el disentildeador es la forma de relacionar los dos conceptos a fin de crear un disentildeo seguro confiable eficiente y econoacutemico
La resistencia (S) es una caracteriacutestica o propiedad inherente de un material o de un elemento mecaacutenico que depende de la eleccioacuten procesado o tratamiento del material y que es independiente de que se someta o no a la accioacuten de una carga La resistencia de una pieza puede variar de un punto a otro dependiendo a que haya sido sometida a procesos de labrado y tratamiento teacutermico como laminado forja y conformado en friacuteo
Se ha vuelto costumbre la designacioacuten de Ci para el esfuerzo normal y r para el esfuerzo cortante como resullado de cualquier carga que se pueda aplicar en un elemento Se utilizan tambieacuten los teacuterminos esfuerzo permisible o valor permisi ble del esfuerzo (Cip y r p) para indicar valores de resistencia reducidos que permiten determinar las dimensiones de una pieza con tamantildeos establecidos de conformidad con la resistencia La relacioacuten entre esfuerzo permisible y resistencia mmlmas especificadas (resistencia de fluencias Sy) de conformidad con el Coacutedigo de el Instituto Americano de Construcciones en Acero (American Institute of Steet Construction-AISC) se establecen como
TENSIOacuteN 045 Sy Op S 060 CORTE fp OAO Sy FLEXION 060 Sy S Cip S 075 APLASTAMIENTO Cip 090 Sy
El valor del esfuerzo en el cual se preveacute que empieza la falla de una pieza es conocido tambieacuten como esfuerzo admisible Este valor se determina con base a los ensayos estandarizados o pruebas normalizadas sobre probetas debido a que las condiciones de laboratorio en las cuales se miden las propiedades de los materiales difiere de aquellos en los cuales se elaboran y trabajan las piezas Lo ideal es poder disponer de
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una buena cantidad de ensayos de resistencia del material que va a ser utilizado en un disentildeo Si el elemento va a estar sometido a cargas de flexioacuten entonces se requieren los resultados de un ensayo de flexioacuten y si es sometido a cargas combinadas se requiere de los resultados de un ensayo seguacuten la combinacioacuten de estas cargas Debido a que este tipo de ensayos son costosos se recurre a las publicaciones libros yo tablas para obtener los valores de la resistencia de Duencia (Sy) resistencia uacuteltima (Su) resistencia al corte (Ss) resistencia a la fatiga (Sr) etc
El teacutermino Factor de Seguridad (n) tambieacuten denominado Factor de Disentildeo es un nuacutemero que sirve para evaluar la condicioacuten segura de un eiemen too Cuando el esfuerzo es linealmente proporcional a la carga se define por la relacioacuten
Resistencia n ( 1 1 )
Esfuerzo
La resistencia puede ser fijada por el proyectista y debe estar en correspondencia con el esfuerzo empleado si la resistencia es al cortante (Ss) en MPa entonces el esfuerzo debe ser un esfuerzo cortante (r) en las mismas unidades (MPa) y aplicado en el misma punto o conjunto de puntos de la pieza que se diseiia
En muchas aplicaciones no existe una relacioacuten lineal entre una carga y el esfuerzo producido En estos casos el factor de seguridad se define como
Carga Limite ---__-~n ( 12)Carga Admisible
Resistencia en unidades de fuerza n ( 13)
Carga o fuerza aplicada
Para tener en cuenta las incertidumbres que puedan ocurrir de resistencia y carga se emplean el factor de seguridad aplicado totalmente a la resistencia (ns) y el factor de seguridad aplicado iacutentegramente a la carga o a los esfuerzos que resultan de esas cargas (nL) Cuando ns se aplica a la resistencia se tiene un esfuerzo permisible (Ciacutep Tp )
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s Gp ( 1 4)
Cuando nL se aplica a la carga liacutemite Fu se tiene una carga permisible
Fu (1 5)
El factor de seguridad total seraacute entonces
(16)
El factor de seguridad es utilizado en el disei10 para considerar las incertidumbres que puedan ocurrir cuando las cargas reales actuacuteen sobre un elemento disentildeado y construido sobre los cuales el fabricante y el proyectista no tienen control o cuando va a ser construidas muchas piezas a partir de diversos materiales
La determinacioacuten del factor de seguridad es una de las labores maacutes importante del ingeniero Un valor muy pequentildeo conduce a una probabilidad de falla inaceptablemente grande y un factor innecesariamente grande conduce a disentildeos antieconoacutemicos y no funcionales El valor del factor de seguridad estaacute influenciado fuertemente por los siguientes elementos
l El material de la pieza esto es si es duacutectil fraacutegil homogeacuteneo de especificaciones bien conocidas etc
Durante el proceso de fabricacioacuten la composicioacuten resistencia y dimensiones de los materiales estaacuten sujetos a peque11as variaciones Ademaacutes se pueden introducir esfuerzos residuales debido al calentamiento y deformaciones durante el almacenamiento transporte o la construccioacuten
Los materiales fraacutegiles fallan suacutebitamente sin aviso previo mientras que los materiales duacutectiles como es el caso del acero estructural sufren una deformacioacuten considerable antes de fallar que es la conocida como nuencia
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2 La carga que actuacutea en la pIeza Si es constante ciacuteclica o variable si es bien conocida su modo de aplicacioacuten so brecargas posibles ctc
La carga estaacutetica es una accioacuten estacionaria de una fuerza o un momento que posee magnitud direccioacuten y punto de aplicacioacuten invariables Tambieacuten puede ser definida como aquella carga que induce a esfuerzos que no variacutean Las cargas que variacutean poco y lo hacen infrecuentemente son generalmente tratadas como cargas estaacuteticas es el caso de la carga de un resorte sobre una vaacutelvula de seguridad
La carga variable o carga ciacuteclica es aquella que induce a esfuerzos que variacutean en magnitud y lo direccioacuten Estas cargas pueden estar acompantildeadas de choques Para la mayoriacutea de los materiales el esfuerzo normal decrece cuando el nuacutemero de ciclos de carga aumenta Son consideradas ciacuteclicas por ejemplo las cargas en los dientes de los engranajes ejes rotando sujetos a momento flector y cargas causadas por vibracioacuten
Muy pocas veces se conoce con exactitud el tipo de cargas la mayoria de las utilizadas en disentildeos son aproximaciones y es por esto que se usan factores mayores cuando la carga es variable dinaacutemica o de impulso
3 Peligro de vida del operador de la maacutequina y dantildeos costosos en la maquinaria o equipos Cuando una maacutequina no implica peacuterdidas de vidas o de propiedad puede utilizarse un factor pequentildeo de seguridad
Es importante que el Ingeniero disponga de resultados de una buena cantidad de ensayos de resistencia puesto que le proporciona informacioacuten muy uacutetil y precisa y maacutes cuando la falla de una pieza puede poner en peligro la vida humana Al respecto se distinguen cuatro categoriacuteas de disentildeo
La falla podriacutea poner en peligro la vida humana Se justifica un amplio programa de pruebas
La pieza se fabricaraacute en cantidades grandes que justifica una serie importante de ensayos
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Las can tidades de las pIezas son tan reducida s que no justifica ninguacuten ensayo
El elemento ya ha sido disentildeado fabricado y probado con resultados negativos Se requiere de un anaacutelisis para conocer las causas de su trabajo y lo que debe hacerse para mejorarlo
4 El ambiente en el que actuacutean los elementos puede indicar un mayor factor de seguridad especialmente en sitios en donde condiciones como la corrosioacuten y el desgaste son difiacuteciles de controlar
5 Los meacutetodos de anaacutelisis de disentildeo se basan en hipoacutetesis simplificatorias que conllevan al caacutelculo de esfuerzos que son aproximaciones de los esfuerzos reales
En gran parte de las aplicaciones praacutecticas los factores de seguridad estaacuten especificados en normas de disentildeo o coacutedigos preparados por comiteacutes de ingenieros experimentados Los factores de seguridad variacutean de una industria a otra pues son el resultado de las experiencias acumuladas con la clase de maacutequinas o la naturaleza del ambiente
Joseph Vidosic citado por Juvinall y Marshek establecioacute una guiacutea para el factor de seguridad (n) basado en la resistencia a la Guencia (Sy) que pueden emplearse en los proyectos baacutesicos y que variacutean entre 125 y 4 de conformidad con el grado de incertidumbre que exista
l n 125 - 15 para materiales seguros usados en condiciones controlables y sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados con certeza
2 n 15 - 2 para materiales bien conocidos bajo razonables condiciones ambientales sujetos a cargas y esfuerzos que pueden ser determinadas faacutecilmen te
3 n = 2 - 25 para materiales medios operando en ambientes ordinarios y sujeto a cargas y esfuerzos que pueden ser determinados
15
4 n = 25 3 para materiales probados o para materiales fraacutegiles en condiciones promedias de ambiente carga y esfuerzo
5 n = 3 - 4 para materiales no probados usados en condiciones promedlas de ambiente cargas y esfuerzos
6 n = 3 - 4 puede tambien ser usado para materiales bien conocidos que van a ser usados en ambientes inciertos o sujetos a esfuerzos inciertos
7 Cargas repetidas los factores establecidos en los item 1 a 6 son aceptables pero deben ser aplicados al limite de resistencia a la fatiga mas bien que a la resistencia de nuencia del ma terial
8 Fuerzas de impacto son razonables los factores dados en los iacutetem 3 a 6 pero debe ser incluido un factor de impacto
9 Materiales fraacutegiles o quebradizos donde la resistencia uacuteltima (Su) es usada como la maacutexima teoacuterica los factores presentados en los iacutetem 1 a 6 deben ser aproximadamente doblados
10Cuando los altos factores son deseables un anaacutelisis maacutes profundo debe ser llevado a cabo antes de decidir su uso
18 Sistemas de unidades
En la ecuacioacuten simboacutelica dimensional F = MLT-2 (segunda ley de Newton) F representa la fuerza M representa la masa L indica longitud y T simboliza tiempo Las unidades asignadas para tres de estas cantidades se denominan unidades baacutesicas o fundamentales Seleccionadas tres de las cuatro unidades la cuarta es considerada como unidad derivada Cuando la masa es la unidad derivada el sistema que resulta se conoce como el sistema gravitacional de unidades_ Cuando la fuerza es la unidad derivada el sistema resultante es el sistema absoluto de unidades como es el sistema internacional de unidades (SI)
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El sistema pie-libra-segundo y el sistema pulgada-libra-segundo son los dos sistemas gravitacionales maacutes utilizados en los paiacuteses de habla inglesa
Teniendo en cuenta el uso que actualmente se le da a los diferentes sistemas (ingles gravitacional y SI) se presenta en la tabla siguiente las unidades baacutesicas y derivadas para cada uno de ellos
Tabla l Sistemas de unidades para longitud tiempo masa y fuerza
Sistema Sistema Gravitacional
Unidad
slug kg
Pie m
Segumlo s ---__+---~--~_----- -+_-_shy
Libra N
(1 slugftiexcl
La unidad de fuerza tiene significancia particular en el anaacutelisis y disentildeo de los elementos o piezas la cual es incluida en los caacutelculos de torque esfuerzo (y presioacuten) trabajo (y energiacutea) potencia y moacutedulo elaacutestico En el anexo 1 se presenta una descripcioacuten maacutes amplia sobre el sistema internacional de unidades (SI)
2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE MECANISMOS
21 Introduccioacuten
El trabajo de cualquier maacutequina y sus caracteriacutesticas dependen de su concepcioacuten como conjunto para responder a unas necesidades pero tambieacuten de la correcta ejecucioacuten de sus piezas y mecanismos de su correcto montaje y del empleo de materiales adecuados Y este trabajo seraacute uacutetil si ademaacutes resulta econoacutemico Esto depende no soacutelo del precio sino tambieacuten del costo y facilidad de sus reparaciones y de su vida previsible econoacutemicamente hablando
17
El proyecto y la construccioacuten de una maacutequina representa el resultado de conjuntar y utilizar muy haacutebilmente lo teoacuterico (conceptos baacutesicos y leyes fundamentales de la mecaacutenica resistencia y materiales e hidraacuteulica) lo experimental (para orientar con caraacutecter teacutecnico la seleccioacuten y el anaacutelisis de un mecanismo en particular) y los conocimientos de las teacutecnicas de trabajo
22 Definiciones
Se entiende por mecanismos el estudio de las leyes que regulan los movimientos de las diversas piezas miembros y oacuterganos de las maacutequinas y las fuerzas que estos transmiten Toda maacutequina posee un conjunto de oacuterganos o elementos enlazados entre si de modo que el movimiento de uno de ellos implica el de los restantes
El estudio de los mecanismos comprende el aspecto cinemaacutetico se refiere al movimiento de los miembros (geometriacutea de las maacutequinas) y al cambio de posicioacuten de las diferentes piezas para nada bene en cuenta la resistencia del mecanismo y el aspecto dinaacutemico que se refiere a todas las fuerzas que transmiten las piezas el conocimiento de esas fuerzas permite dimensionar el mecanismo de conformidad con la resistencia de los materiales
Maacutequina es un conjunto o combinacioacuten de oacuterganos dispuestos de tal forma que las fuerzas que transmiten se emplean para producir alguacuten tipo de trabajo uacutetil Es decir las maacutequinas tienen por objeto ejecutar un trabajo mecaacutenico
Cadena cinemaacutetica conjunto de mecanismos que integran una maacutequina y que determinan las transformaciones de movimientos adecuados para la consecucioacuten del objeto final que se pretende
Transmisioacuten de movimiento no teniendo en cuenta las fuerzas que obran a distancia como la atraccioacuten la gravedad etc un cuerpo o pieza no pretende hacer que otra se mueva sino estaacuten en con tacto las dos o estaacuten ligadas por intermedio de un tercer cuerpo que transmita el movimiento
Conductor y conducido el elemento de una maacutequina que obliga moverse a otro se llama conductor y el que recibe el movimiento se denomina receptor o conducido El conductor puede transmitir el
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movimiento al conducido por contacto directo o por rodadura (ruedas dentadas o engranajes) por deslizamiento (ruedas exceacutentricas o camas) y por medio de conexiones riacutegidas (bielas) flexibles (correa) y fluidas (hidraacuteulica)
23 Transformacioacuten de movimientos
Combinaciones maacutes usadas de oacuterganos para formar mecanismos y asiacute obtener la transformacioacuten de los distintos movimientos
1 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo continuo en otro movimiento rectiliacuteneo continuo Ejemplo polcas fijas y poleas moacuteviles
2 Mecanismos que transforman un movimiento de rotacioacuten continuo en otro de traslacioacuten rectilineo o alternativo o en otro que obedezca a una ley dada Ejemplo el torno simple el torno de engranaje torno diferencial los tornillos que puede tener dos finalidades como elemento de fijacioacuten o unioacuten y en determinadas piezas como hllSillos El piuumloacuten engranado con una cremallera y las exceacutentricas o camas son ejemplos tambieacuten de este tipo de mecanismos
3 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo engranajes transmisioacuten por correas y cables y cadenas juntas cardaacutenicas la doble junta acoplamientos y embragues
4 Mecanismos que transforman un movimiento rectiliacuteneo alternativo en movimiento rotacional continuacuteo Ejemplo los mecanismos de biela y manivela en motores de combustioacuten interna bombas y compresores
5 Mecanismos que transforman un movimiento rotacional continuacuteo en otro alternativo oscilante Ejemplo mecanismos biela y manivela y las levas
24 Anaacutelisis funcional de las maacutequinas agriacutecolas
Una maacutequina agriacutecola tiene varios componentes que trabajan como un sistema con el fin de que la maacutequina funcione de conformidad para lo que fue disentildeada Cualquier maacutequina por simple que sea puede ser dividida en varios componentes Para entender como trabaja una maacutequina es necesario considerarla como una coleccioacuten o sistema de varios subsistemas Una
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maacutequina agriacutecola puede ser dividida en dos subsistemas sistemas de soporte y sistemas de proceso (Figura 2)
MM)JlNA MR1COLA
I I I
SlsnMA DESISTEMA DE PiquestOtES( SSOPO fn rmiddot
I I I I I I I I
Figura 2 Sistemas de Maacutequinas Agriacutecolas
Los sistemas de soporte son los que ayudan a los sistemas de proceso a cumplir su funcioacuten y se pueden clasificar como sistemas estructural de potencia de unioacuten y de control
El sistema estructural o chasis tiene como funcioacuten soportar lodas las partes de la maacutequina para que puedan cumplir con las funciones que le son propias La parte estructural de la maacutequina puede estar soportada por las ruedas por el fondo de algunos tipos de arado o por el tractor como en el caso de equipos montados o integrales
El chasis se construye de piezas de acero fundido y de partes de acero prensado Esto quiere decir que se construye de materiales que soportan las condiciones de trabajo durante la vida uacutetil de la maacutequina Se emplean materiales estandarizados y seCClOnes disponibles como se muestran en la figura 3
bull Planchas lisas de metal empleadas en las tapas de las maacutequinas cosechadoras en la proteccioacuten de sistemas de transmisioacuten y construccioacuten de tanques y tolvas
bull Barras planas para soportar cargas de tensioacuten bull Tubos soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y torsioacuten bull Perfiles soportan bien cargas de tensioacuten compresioacuten y flexioacuten
ESTRUCTUliA CONTROL
NO liexcliexcl( Cf(lNAIJOS
20
Hexagonal
ta) Mat eriacutea en la bIUX R
I[LAngnlaVi (P 11n ancho)
T r Te
(b) Perfiles estructurRl_
Figura 3 Secciones usuales disponibles de barras y perfiles
El sistema de potencia suministra la potencia a los sistemas de proceso Las maacutequinas autopropulsadas contienen ambas la fuen te de potencia (motor) y los dispositivos de transmisioacuten de potencia (tren de transmisioacuten) Otras maacutequinas dependen del tractor como fuente de potencia utilizando sistemas de transmisioacuten de potencia como cadenas bandas engranajes ejes de potencia (PTO) etc
Los elementos y mecanismos de transmisioacuten de potencia incluyen ejes chumaceras y cojinetes resortes mecaacutenicos engranajes rectos ciliacutendricos comcos hipoidales tornillos sinfiacuten y epicicloidales cadenas y ruedas poleas y bandas manivelas mandos exceacutentricos levas acoplamientos junta cardaacutenica ui1a y trinquete embragues y frenos y volantes
21
Los elementos de umon o conexioacuten juntan los elementos entre siacute y con el chasis y se conciben teniendo en cuenta su necesidad de montaje o desmontaje
bull Conexiones fijas soldadura eleacutectrica y pegantes (no desmontables) bull Conexiones desmontables Permiten el desmontaje de las partes
para su reparacioacuten y reemplazo pernos resortes tornillos tuercas chavetas pasadores entre otros
bull Conexiones maacutes o menos desmontables remaches soldadura autoacutegena y algunos pegan tes
La funcioacuten del sistema de control es proveer el control sobre los sistemas de proceso controles que pueden ser manuales o automaacuteticos
Los sistemas de proceso son aquellos componentes de la maacutequina que desempentildean las funciones para lo cual la maacutequina fue disdlada cortar separar mezclar etc son conocidos como mecanismos operativos y forman la parte de operacioacuten de la maacutequina En general el nombre de la maacutequina se deriva del nombre del mecanismo operativo El nombre de algunas maacutequinas incluye el nombre del mecanismo operativo y el nombre del cultivo o proceso arado de discos cosechadora de maiacutez clasificadora de papa etc
Como los sistemas de soporte los sistemas de proceso pueden ser divididos en tres tipos (Figura 2) reversibles no reversibles y no direccionados Los procesos reversibles son aquellos que pueden ser regresados a su concepclOn inicial como la clasificacioacuten la compactacioacuten etc Los procesos no reversibles son aquellos que no pueden volver a su estado inicial como por ejemplo el corte la molienda etc Como su nombre 10 indica los procesos no direccionados son aquellos que no tienen direccioacuten Ejemplo transporte medicioacuten o control y almacenamiento de materiales
PROBLEMAS
1 Convierta las siguientes cantidades a expresiones en unidades SI apropiadas
a Un esfuerzo de 20000 psi
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b Una fuerza de 350 lb c Un momento de 1200 lb-in d Un aacuterea de 24 in2
e Un moacutedulo de elasticidad de 21 Mpsi f Una velocidad de 45 millas h g Un volumen de 60 in3
h Una longitud de 60 in 1 Un esfuerzo de 90 kpsi J Una presioacuten de 160 psi k Un moacutedulo de seccioacuten de 112 in3
1 Unpesounitariode261lbft m Una deflexioacuten de 0002 in n Una velocidad de 1200 ftmin o Un volumen de 8 galones p Un aacuterea de 100 acres q La velocidad de un tractor que recorre 180 pies en 40 segundos r Una potencia de un motor de 5 HP s Un caudal de 60 galones por minuto
2 Una cosechadora de maiacutez de dos surcos separados 90 cm entre siacute recorre 80 m en 27 segundos Cosecha 200 libras en 40 segundos tiene 30 de peacuterdidas de tiempo Su jornada diaria de trabajo es de 9 horas consume 3 galones de combustible por hora y el combustible cuesla $6000 por galoacuten Determine
a La velocidad de la cosechadora en millas por hora (mph) y kmh b Cuaacutel es el consumo de combustible en litros por diacutea de trabajo c Cuaacutentas hectaacutereas cosecha por diacutea de trabajo cuaacutentas cuadras
por hora d Cuaacutel es la produccioacuten de ese lote en toneladas por ha (Asumir que
no hay peacuterdidas de producto al cosechar) e Cuaacutentos kilos recoge la cosechadora por hora de trabajo
3 Una aspersora de 12 boquillas separadas 070 m entre siacute se utiliza para hacer una aplicacioacuten de insecticidas La aspersora descarga 2 galones por boquilla por cada 250 m recorridos Si la eficiencia es del 80( la velocidad de operacioacuten 5 km h y trabaja 10 horas por diacutea
a Calcule la dosis que se estaacute aplicando por ha cuadra y acre b Si se tiene un lote de maiacutez de 18 ha cuaacutentas boras tardaraacute en ser
asperjado c Cuaacutentas hectaacutereas se cubren en 300 horas de trabajo
23
d Si la aspersora recorre una milla en forma continua cuaacutentos galones aplica en ese recorrido y cuaacutento tiempo gasta para cubrirlo
4 Halle los factores unidad que relacionan a Acres y pulgadas cuadradas b Kiloacutemetros por hora y pies por segundo c Metros cuacutebicos y galones d Galones por segundo y metros cuacutebicos por hora e Milla cuadrada y acres f Centiacutemetros cuacutebicos y pulgadas cuacutebicas g Galoacuten y pulgadas cuacutebicas h Galoacuten y pintas J Galoacuten y cuartos
El eje de una maacutequina tarda 008 segundos para dar un giro calcule su frecuencia en revoluciones por minuto (rpm) y en herz (Hz) 1Hz = 1 ciclojsegundo
6 (Cuaacutentos metros cuacutebicos de agua se pueden recoger en una hectaacuterea durante un aguacero de 100 mm de precipitacioacuten
7 cCuaacutel es el caudal en litros por segundo de una acequia que tiene una seccioacuten de 3 pies cuadrados y el agua tiene una velocidad de 3 kmjh
8 La energiacutea almacenada (U) en un resorte hclicoidal estaacute dada por la ecuacioacuten U = 4F2D3n jd4 G Si F = 4N D = llmm n = 36 (nuacutemero adimensional) G = 793 GPa y d 12 mm Calcule la energiacutea almacenada en J
9 La foacutermula para la deflexioacuten (y) de cierto tipo de viga es
Si F 045 kN ( = 3000 mm si E 207 GPa yy 3nEd 4
d = 19 mm Determine la deflexioacuten en unidades de micras (1I11)
10En la foacutermula del problema 9 queacute fuerza en kN se requiere para producir una deflexioacuten de 150 mm si ( = 250 mm E 207 GPa y d = 20 mm
11 En la foacutermula del prolJlema 9 queacute longitud (C) de viga se necesita para generar una deflexioacuten de 2 mm si E = 207GPa F 055 kN Y d 10 mm
24
12Teniendo en cuenta las reglas reglas dadas en el Anexo 1 (Sistema Internacional) como redondeo de cifras eleccioacuten de prefijos unidades recomendables etc resuelva las siguientes relaciones
a cr = MZ donde M 200 Nm y Z = = 153cm b cr F A donde F 42kN Y A = 6 cm2 =o
c y = FP 3El donde F 1200N f = 800mm E 2070Pa 1 64cm4
d ltP == TIOJ donde J=nd4 32 T==100N mI = 250mm G 30Pa y d = 25mm Convierta los resultados a grados de aacutengulo
e cr == F wt donde F 600N w = 20mm y t = 6mm f I = bh3 12 donde b 8mm y h = 24 mm g I = nd 4 64 donde d 32mm h ( = 16Tnd3 donde T 16Nm y d = 25 mm 1 ( = F A donde A nd2 4 F = 120kN Y d = 20mm J cr = Fand3 donde F 800N a = 8000mm d = 32mm k Z = (n32d)(d4 -diexcl4) para d = 36mm y diexcl = 26mm 1 K = d 4 G80middot3 N donde d = 16mm G = 7930Pa 0= 192 mm y N
= 32 (nuacutemero adimensional)
25
CAPITULO II ESFUERZO Y DEFORMACION EN ELEMENTOS MECANICOS
1 ANAacuteLISIS DEL ESFUERZO
11 Introduccioacuten
El disentildeador debe tener la certeza que la resistencia de la pieza que disentildee siempre sea mayor que el esfuerzo atribuido a cualquier carga exterior Cuando un elemento de un mecanismo es sometido a cargas externas de tensioacuten compresioacuten flexioacuten torsioacuten o combinacioacuten de ellas generan esfuerzos internos que tienden a modificar la estructura reticular del material En cada seccioacuten del material los esfuerzos se cuantifican por unidad de aacuterea
12 Estado general del esfuerzo
En un punto determinado de un elemento mecamco con un sistema de ejes rcferenciados se coloca un cubo infinitesimal del material cuyas caras sean perpendiculares a los ejes con tensiones o esfuerzos normales Ch (y (z (positivos salen de la cara del elemento) y seis
esfuerzos cortantes positivos Txy Tyx 1yz Tzy Tzx Y 1xz (Figura 4)
y
t
z
Figura 4 Estado general del esfuerzo tridimensional
26
En el equilibrio estaacutetico
txy = tyx t yz = tzy y t zx = txz (21)
Los nueve esfuerzos mostrados se pueden acomodar en forma matricial en el denominado tensor de esfuerzo y representa el estado general de esfuerzo en un punto
Tensor (al (22)r~Y~ ~ j r xz -yz Oz
El estado general de esfuerzo en un punto como el mostrado en la figura 4 no dan una visioacuten clara de la manera como las fuerzas se transmiten dentro del material Es necesario hacer uso de teoremas y definiciones que aclaran esta situacioacuten
bull En cualquier estado de esfuerzo en un punto un elemento se puede orientar de tal manera que los esfuerzos cortantes se conviertan en cero sobre todas sus superficies
bull Las tres direcciones normales a las superficies del elemento se denominan direcciones principales
bull Los tres esfuerzos normales (01020) que actuacutean en ese elemento
se llaman esfuerzos principales En figura 5 se ilustra graacuteficamente la naturaleza de la transformacioacuten involucrada en donde los esfuerzos equilibran tes en las caras negativas no son mostrados
27
Figura 5 Transformacioacuten de los ejes a un sistema de ejes principales El tensor de esfuerzo baacutesico para el estado de esfuerzo en un punto en teacuterminos de los esfuerzos principales se puede escribir como
Ol o o Tensor (a) principal o O o (23)
ro o Un estado de esfuerzo plano o biaxial en donde se supone que las acciones exteriores soacutelo provocan esfuerzos en el plano xy es mostrado en la Figura 6
y y
Cf_
t
-__x
-
(T C t
I
j z
Figura 6 Estado general de esfuerzo biaxia1
En forma tensorial el estado se describe como
28
Txy (24)General Tensor (O) degyx ]O O
Referida a los ejes principales
Tensor (a) principal deg2 Ol~ O
~j (25)
En el estado bidimensional interesa conocer cuales son los esfuerzos a y r en cualquier plano definido por el aacutengulo ifJ en la figura 7 a
partir de los esfuerzos (Jx (Jy y Lxy en el plano de referencia xy considerando un elemento de material de espesor igual a la unidad
Realizando el equilibrio de fuerzas crcos~ds - crxdy - Txydx - Tsen~ds O crsen~ds - crydx Txydy + Tcos~ds =O
ltIx dyDividiendo por ds y dado que--~ =sen ~ y ~ cos~ se obtiene
ds ds
y
x
Figura 7 Estado general de esfuerzo para un aacutengulo (p
crcos~ - crxcos~ 1xySen~ - Tsen~ = O
crsen~ - crysen(p - 1xyCOS~ + TCOS~ O
29
Organizando en forma matricial
((J COS Ji + r scnx i n 1COS -SCl(p)
(J senA+r cos (I( sen~ COS~ l 1 T ll== (COSltgt-SCI1(P J-J cosltjl +- Tscn(r]
selHp cosltgt l(Jscnltjl + T neos (r
cos~ scnltjl alt COS (p+-rscll(l)( --scn (p cos ltgt ( (Jscnql+r ltr COS ~
cr crxcos2ltjl + TxyCOs~senltjl + crysen2(~ + TxyCOS(psenltjl
T -crxcos(psen~ - txysen2~ +- crycos~senltjl + TxyCOS2~
Se tiene
como l-cos 2(p
scn~= ------ se obtiene 2
(J (J) (J ----- + - cos2~ +- Txysen2ltjl y (26)
2 2
r (27)
Para conocer la direccioacuten donde los esfuerzos normales son maacuteximos (principales) o lo que es 10 mismo donde los cortantes son nulos r =0 se deriva (26) en funcioacuten del aacutengulo ~
da 2r O~ tan2ltjl =--- shy
dltgt (J -- a -
con dos soluciones una para 2ltjl y otra para 2~ loO()
Se obtiene
a J
(28)
30
Para conocer la direccioacuten donde se encuentran los esfuerzos cortantes maacuteximos se deriva (27) en funcioacuten del aacutengulo (p
dr -- = O-) tan241 d~
Obteniendo
r + m1Xmfl
En los planos principales los esfuerzos cortantes son nulos Sin embargo en los planos con cortante maacuteximo siacute existe esfuerzo normal
de valor (J + 2
Eliminando la variable ~ de las ecuaciones (26) y (27) resulta
--2----J (210) I r
que al representar en el sistema cartesiano en que el eje de
se obtiene la ecuacioacuten de una circunferencia de centro ()
ordenadas son esfuerzos cortantes r y el eje de abscisas esfuerzos
normales (J
(J + (J
y2 shy
de radio + r~ llamada circulo de Mohr que proporCIOna
los esfuerzos normal y cortante correspondiente al plano definido
por un aacutengulo lt1gt respecto al plano principal
En la figura 8 se establece un sistema de coordenadas en el que los esfuerzos normales se representan como abscisas y los esfuerzos cortantes como ordenadas En el eje de las abscisas los esfuerzos normales positivos se marcan a la derecha del origen O y los esfuerzos normales negativos (de compresioacuten) a la izquierda Los esfuerzos cortantes positivos o en el sentido del reloj (sr) se trazan hacia arriba
31
en el eje de las ordenadas y los esfuerzos cortan tes nega tivos en el sentido contrario al reloj (scr) se trazan hacia abajo
r J
o
Figura 8 Diagrama del ciacuterculo de Mohr
13 Relacioacuten esfuerzo-deformacioacuten
La presencia de esfuerzos en un material conlleva a su deformacioacuten Se procura siempre que el esfuerzo no sobrepase el liacutemite de deformacioacuten elaacutestica encontraacutendose que en la mayoriacutea de los materiales existe una relativa proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacioacuten en la zona elaacutestica En la zona elaacutestica la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal (a) y la deformacioacuten
unitaria (1) se conoce como moacutedulo de elasticidad (E) El esfuerzo
cortante tangencial T tambieacuten guarda una relacioacuten proporcional con la deformacioacuten angular deformacioacuten por cortante (y) con el moacutedulo de
rigidez o de deformacioacuten transversal CCi)
Se pueden escribir las relaciones
a=ED l Gy (ley de Hooke) (211)
La deformacioacuten unitaria (f) es la relacioacuten entre la deformacioacuten total de la barra (oacute) y la longitud original (t) r = Oacute r
(212)
32
La deformacioacuten total de una barra cargada axialmente (F) de longitud (e) seCClOn transversal (A) se pueden definir como 6 = Ff j AE
(213)
Las constantes de proporcionalidad (E y G) se relacionan mediante el coeficiente de Poisson (u) E=2G(I+u) (214)
14 Esfuerzos que afectan a una pieza
bull Esfuerzos normales de tensioacuten y compreslOn Se dice que una Seccioacuten (A) de una barra de una pIeza estaacute sometida a un esfuerzo axial simple cuando la resultante de las fuerzas a la
_ il-----Y que estaacute sometida la seccioacuten esF~~____~F perpendicular a eacutesta (Figura 9)
El esfuerzo en este caso es un Bana cargada a tensioacuten esfuerzo normal
uniformemente distribuido y se calcula por () = F j A (215) este esfuerzo seraacute positivo si F genera tensioacuten o traccioacuten en las fibras y negativo o de comprensioacuten si se genera el efecto contrario
Figura 9 Barra cargada a tensioacuten
bull Esfuerzos normales por flexioacuten Una viga es un miembro que soporta cargas transversales a sus ejes Estas cargas generan momentos flectores en la viga que traen como resultado los esfuerzos normales por flexioacuten ya sea de tensioacuten o compresioacuten El esfuerzo maacuteximo por flexioacuten en la viga ocurre en la parte maacutes alejada del eje neutro de la seccioacuten En este punto el esfuerzo de flexioacuten se calcula como () = McjI (216)
Donde M momen to flector en la seccioacuten = momento de inercia de la seccioacuten con respecto a su eje
neutro c distancia del eje neutro a la fibra maacutes alejada de la
seccioacuten transversal de la viga
33
La figura 10 muestra una tiacutepica distribucioacuten de esfuerzos en la seccioacuten transversal de la viga La magnitud del esfuerzo por flexioacuten variacutea linealmente dentro de la seccioacuten transversal desde un valor de cero en el eje neutro a un esfuerzo de tensioacuten maacuteximo a un lado del eje neutro y un esfuerzo de compresioacuten maacuteximo al otro
bullt(
Y () a - R
M1 ]iexclf = 1ia=
a+bM ofL---f---I
lT
- shy __-l~_1-- r
eI~~nto l~ -eflrzgt 1lJ olllF~ieacuten
pa~ 11p~rktr deo b n~
Figura 10 Distribucioacuten de los esfuerzos normales por flexioacuten de la seccioacuten transversal de una viga La ecuacioacuten (216) estaacute sujeta a las siguientes condiciones
La viga se somete a flexioacuten pura esto es que los esfuerzos cortantes son cero o despreciables y que no hay presencia de otros tipos de carga (axial o torsional) El material de la viga cumple la ley de Hooke y es homogeacuteneo e iexclsoacutetropo El moacutedulo de elasticidad del material es el mismo para tensioacuten y compresioacuten La viga es inicialmente recta y tiene seccioacuten transversal constante Cualquier seccioacuten transversal plana de la viga permanece plana durante la flexioacuten
34
Ninguna parte de la viga puede fallar por aplastamiento corrugacioacuten o pandeo lateraL
Tambieacuten es comuacuten escribir la ecuacioacuten (216) como
() MjIc Oacute () MIZ (217)
Donde Z = lc conocido como moacutedulo de la seccioacuten En la Tabla 21 se presentan algunas propiedades de las secciones maacutes utilizadas en este texto
bull Esfuerzo cortan te en vigas
La mayoriacutea de las vigas estaacuten sometidas a fuerzas cortantes y a momentos flexionan tes Una viga sometida a cargas transversales en sus ejes puede experimentar una fuerza cortante denotada por V en el anaacutelisis de vigas y es generalmente calculada por variacioacuten de la fuerza cortante en toda la longitud de la viga para trazar el diagrama de fuerza cortante El esfuerzo cortante vertical puede ser calculado por
1 VQIt (218) Donde V = fuerza cortante vertical 1 = momento de inercia de la seccioacuten total con respecto al eje neutro t = espesor o ancho de la seccioacuten donde el esfuerzo cortante va a ser
calculado Q momento estaacutetico de la seccioacuten es el momento del aacuterea vertical
con respecto al eje neutro = Ap(y)
Donde Ap parte del aacuterea de la seccioacuten donde el esfuerzo va a ser calculado
y distancia desde el eje neutro de la seCClon al centroide
del aacuterea Ap La ecuaClOn (218) puede ser engorrosa debido a la necesidad de evaluar momento estaacutetico Q El esfuerzo cortante maacuteximo debido a la flexioacuten es entonces calculado dependiendo de la forma de la seccioacuten de la viga
TABLA 21 PROPIEDADES DE LAS SECCIONES
35
middot = H1 ~ momento de intrclu ] momento polar do iacutellrd Z - moacutedulo de ~C(iacuteOll K = radio de girogt l - disUlflIacutea flJ celltnJIacutek
RttuacutengulQ
bh 11
2
bh~ =shy
36
Ml Z 14
CiacuterculQ
rrd J fIj~~ ti --iexcl A - -iexcl- )
J] iexcl
ft1~ d ____ M~ _ _ bullbull~ lt iexcl =
G ~
(i4 4
Ita Jmi
l~ Y shy2
Corona circular
---~-- ti -----+4
I III - iexclshy
~_L--l 1=d
d j
Para una viga de seCClOn rectangular 1muacutex = 3V 2A donde A es el aacuterea de la seccioacuten transversal de la viga Para una viga de seccioacuten circular maciza 1maacutex 4V 3A
Para una viga con seccioacuten en corona circular Cmaacutex = 2V A
36
Para una viga en 1 1maacutex = VI Aalma donde Aa Ima (t)(h) t
espesor del alma h altura del alma
bull Esfuerzo cortante torsional Un vector momento que sea colineal con un eje geomeacutetrico de un elemento mecaacutenico se conoce como vector momento torsionante (T) Una barra sometida a tal momento se dice que estaacute en torsioacuten Para una barra de seccioacuten
Tf circular el aacutengulo de torsioacuten se puede calcular por O
GJ (219)
Donde T = momento torsor e longitud de la barra G= moacutedulo de rigidez J momento polar de inercia del aacuterea transversal
Si se requiere calcular el esfuerzo cortante torsional en un punto interior del eje la foacutermula usada es = Ty I J (220)
Donde y distancia radial del centro del eje al punto de intereacutes
En el caso de una barra maciza el esfuerzo cortante torsional () vale cero en el centro y es maacuteximo en la superficie Si r es el radio de la superficie exterior entonces el esfuerzo cortante seraacuteuHiacutex = Tri J
(221)
Por lo general el momento de torsioacuten T se determina de la potencia a transmitir (hp) y de la velocidad del eje rotatorio (n) En el sistema gravitacional ingleacutes T 63000 hpn (222)
En el sistema internacional hp = Tw (223)
Donde hp = potencia en W T par de rotacioacuten en Nm
W = velocidad angular en rads
15 Combinacioacuten de esfuerzos
Los esfuerzos y las deformaciones son producidos en las piezas por las fuerzas que se ejercen sobre ella Es natural suponer que el efecto resultante en un punto cualquiera es la suma de los efectos de las
37
cargas presentes La idea de que el efecto resultante es la suma de los efectos separados se conoce como principio de superposicioacuten que es vaacutelido soacutelo para aquellos casos de carga en que la magnitud del esfuerzo y la de flexioacuten es directamente proporcional a la carga
Para determinar los esfuerzos resultantes en un elemento se calculan separadamente los esfuerzos producidos por cada carga y luego se suman sus efectos teniendo en cuenta sus signos y direcciones
En el caso de una pieza de seccioacuten circular sometida a fuerza axial (F)x a a un momento flexionante (M) y un momento torsor (T) los valores de v y t en la seccioacuten transversal seraacuten = (F j A) plusmn (My jI)(J
(224)
(correspondiente a una fibra situada a una distancia y del eje neutro) y
t (4Vj3A) plusmn (Trj~J) (225) (correspondiente a los puntos exteriores de la fibra neutra)
16 Concentracioacuten del esfuerzo
Las ecuaciones de esfuerzo baacutesicas (tensioacuten compresIOn flexioacuten y torsioacuten) se derivan suponiendo que no hay irregularidades en el elemento analizado Sin embargo los ejes rotatorios tienen hombros o resaltos para la ubicacioacuten de los cojinetes y para soportar cargas axiales los ejes deben tener ranuras para sujetar polcas y engranajes y otras partes requieren orificios y surcos para aceite o muescas o mellas de diversos tipos
Cualquier discontinuidad en una parte de la maacutequina altera la distribucioacuten de esfuerzos en los alrededores de la discontinuidad no siendo vaacutelidas las ecuaCIOnes baacutesicas de esfuerzo A las discontinuidades se les conoce con el nombre de intensificadores de esfuerzo y a las regiones donde ocurre se les llama aacuterea de concentracioacuten del esfuerzo cuyo efecto es altamente localizado
Definiendo los factores de concentracioacuten de esfuerzos como los factores por medio del cual el esfuerzo maacuteximo actual excede al esfuerzo nominal vnom o tnom siendo Kt el siacutembolo para esos factores
38
CJmaacutex = Kt 0nom y Lmaacutex = Kt LnOm (226)
Los valores de Kt dependen de ]a forma de la discontinuidad la geometriacutea especiacutefica y el tipo de carga Los factores de concentracioacuten de esfuerzos han sido determinados para una gran variedad de formas geomeacutetricas y tipos de carga El resumen mejor conocido de resultados para varias formas geomeacutetricas es el trabajo de Peterson que se basa en trabajos fotoelaacutesticos hechos antes de 1951 Maacutes recientemente los investigadores han desarrollado modelos matemaacuteticos para aproximar estos datos claacutesicos En general un factor de concen tracioacuten de esfuerzos se aplica a] esfuerzo calculado para la seccioacuten transversal neta o maacutes pequeuacutea Los valores de Kt para varios tipos de elevadores de esfuerzo que se encuentran con frecuencia en el disentildeo estaacuten disponibles en libros de texto y en manuales preparados para este propoacutesito En el Anexo 2 se presentan los factores de concentracioacuten de esfuerzo para algunas formas geomeacutetricas y tipos de carga
2 CONSIDERACIONES REFERENTE A LA RIGIDEZ Y LA DEFORMACIOacuteN
21 Introduccioacuten
Un elemento mecaacutenico se considera riacutegido cuando no sc deforma no se flexiona y no se tuerce demasiado al aplicaacutersele exteriormente una carga Los teacuterminos rigidez y flexibilidad son expresiones cualitativas que dependen del caso
En el disc1o dc maacutequinas el anaacutelisis de la deformacioacuten se aplica de diferentes maneras
gt Un retenedor o anillo de retencioacuten debe ser lo suficientemente flexible para montarlo sin que sufra deformacioacuten permanente y debe ser lo suficientementc riacutegido para mantencr unidas las piezas ensambladas
y En una caja de velocidad de un tractor los engranajes deben estar sostenidos por ejes riacutegidos si fueran flexibles los diexclen lcs no engranariacutean adecuadamente produciendo ruido desgaste () fallas antes de 10 previsto
y Los dientes de un vibrocultivador deben ser 10 suficientemente flexibles para vencer los obstaacuteculos que se encuentran en el terreno
39
La silla del tractorista debe disentildearse de tal manera que se adaple a todas las condiciones del terreno pues la comodidad del cuerpo humano se obtiene uacutenicamente dentro de un intervalo limitado de frecuencias
22 Moacutedulos y constantes de resortes
Elasticidad propiedad de un material que le permite recobrar su configuracioacuten original despueacutes de haber sufrido una deformacioacuten
Resorte es un elemento mecaacutenico que puede ejercer una fuerza despueacutes de ser deformado En la viga simplemente apoyada de la figura 11 la Oexioacuten y estaacute relacionada con la fuerza F en tanto no exceda el liacutemite de elasticidad del material La viga se considera como un resorte liacuteneal
1 --- ----iexcl---------1
Resorte Lineal
Figura 11 Resorte Lineal
En la mayoriacutea de los casos que se trataraacuten aquiacute F y y son lineales y k es una constante que se conoce como constante de resorte y se escribe
Fk (227)
Y
Para el caso de resortes en serie
40
11IV1 11IV1 lVYV1 Fsect
y
kl k3
F y
k
F se movera a una distancia igual a la suma de la deformacioacuten de cada resorte J J I 1
-- + +-shyk k l k k3
(228)
Resortes en paralelo
k
y
F
Todos los resortes tienen la misma deformacioacuten por lo tanto
F klY + k2Y + k3y F ky k kl + k2 + k3 (229)
23 Tensioacuten compresioacuten y torsioacuten
deformacioacuten total de una barra (seccioacuten transversal uniforme) Fe F
cargada a tensioacuten (5 SI k entonces AE i)
41
AE [kg lb N1 (230)k= (No se aplIca a barras largas) e cm pul m
La deformacioacuten angular o distorsioacuten de una barra de seccioacuten circular T(
uniforme sometida a un momento torsionante T O [Rad(~J
k= T ordm~J[~gcm lhpulg Nm l (23 1 ) O e racl rad rad J
24 Deformacioacuten debida a flexioacuten
Un concepto fundamental para una viga en flexioacuten es
Donde M momento flexionante x = posicioacuten sobre la viga medida a lo largo de su longitud
y dellexioacuten
Si se crea una ecuacioacuten de la forma y == f(x) y en funcioacuten de x eslaacute se relacionariacutea a los otros factores como sigue
(232)y == f(x)
dy (233)e dx
M dCy (254) El dx 2
V e1y (235) El dx 3
dOq Y (236)=
dx 4El
q === teacutermino general para la distribucioacuten de la carga en la viga
Cantidades que seraacuten positivas si tienen la misma direccioacuten de y +
42
25 Caacutelculo de deflexiones
Ya se tienen manuales y tablas que no soacutelo indican los valores para las deflexiones de diferentes tipos de vigas sino tambieacuten los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te s tablas son modelos comunes muy utilizados En el Anexo 3 se presentan las maacutes comuacutenmente utilizadas en este texto
Hay casos que no aparecen listados y es necesario emplear uno de los siguientes meacutetodos
1 Meacutetodo del momento del aacuterea 11 Por funciones de singularidad Ill Meacutetodo graacutefico de integracioacuten IV Meacutetodo de superposicioacuten v Por integracioacuten numeacuterica VI Utilizando el TEOREMA DE CASTIGLIANO
Aquiacute se recordaran algunos de estos meacutetodos
26 Energiacutea de deformacioacuten
La energiacutea potencial almacenada en un elemento deformado elaacutesticamente una distancia y es
F F F U=i y k y por tanto
Y k
F2
U =-- (ecuaciones F puede ser un momento 2k
(237)
I torsionante o flexionan te)
AE iexcl Para una barra a tensioacuten o compresioacuten k (
e U (238)
2AE
GJ T(Para deformacioacuten angular k U = gt torsioacuten
e 2GJ (239)
43
La energiacutea de deformacioacuten debida a cortante directo
(240)
J
La deformacioacuten por cortante se puede obtener utilizando
CV~dX C fl shyU ~~ =gt orte por eXlOn (241 )
2AG
Los valores de C dependen de la seCClon transversal para seCClOn rectangular tiene un valor de 150 circular de 133 tubular redonda 20 y perfil estructural 10
Para flexioacuten pura
(242)
27 Teorema de Castigliano
Se puede expresar como cuando actuacutean fuerzas sobrc sistemas elaacutesticos sujetos a pequeflOs desplazamientos el desplazamiento correspondiente en un punto particular a una de ellas (R) colineal con la fuerza es igual a la derivada parcial de la energiacutea de deformacioacuten total con respecto a esa fuerza
iacuteJUoi (243)eacutelFi
Se puede aplicar para obtcner la deflexioacuten en un punto aunquc ahiacute no actuacutee ninguna fuerza o momento flexionantc Para esto se sigue el siguiente procedimiento
1 Se formula la ecuacioacuten de la energiacutea de ddormacioacuten total U incluyendo la energiacutea de una fuerza o momento ficticio Q que actuacutea en el punto cuya deflexioacuten se determinaraacute
2 obtiene una expresioacuten para la deflexioacuten deseada
44
3Uoi (244) 8Qiacute
3 Como Qiacute es ficticia en la expresioacuten de oiacute se hace Oiacute = ()
28 Problemas estaacuteticamente indeterminados
Procedimiento
1 Se escoge la reaccioacuten redundante (F o M) 2 Se escriben y se resuelven las ecuaciones de equilibrio estaacutetico
para las reacciones restantes en teacuterminos de la reaccioacuten redundante
3 Se escribe la ecuacioacuten de la energiacutea de deforITlacioacuten total U 4 Se obtiene una expresioacuten para la reaccioacuten redundante calculando
8U O
8R
5 Se despeja R de la expresioacuten resultante
29 Elementos sometidos a compresioacuten (Columnas)
El teacutermino columna es usado para todos los elementos excepto aquellos en los que la falla se considera por compresioacuten simple o pura y se dividen en l Columnas largas con carga central 2 Columnas de longitud intermedia con carga central 3 Columnas con carga exceacutentrica 4 Puntales o columnas cortas con carga exceacutentriclt1s
210 Columnas largas con carga central
La relacioacuten entre carga criacutetica el material y su geometriacutea se muestra en la Figura 12
45
COLUMN AS LARO AS CON CARG A CENTRAL
f14
p
r f
f j1
Un EniremoCon egt-inruos Amhos a-in~lliOS Un erll ID o artic l11gtLIo yredond3do5 elnp cuumlEdos libre y 0110 otV1 Impoh-adoo articulados empuumlhado
Figura 12 Relacioacuten carga criacutetica y geometriacutea en una columna larga con carga central
La foacutermula de Euler para colurnnas con extremos redondeados a articulados es bien conocida
(245)Pcr
1 Ak2 donde A Arca de la seccioacuten y k radio de giro de la seccioacuten
entonces 1[2EPcr
relacioacuten de la esbeltez de la columna A (~J ek
I k (246)
Pcr A - Carga por unidad de aacuterea que se necesita para colocar la columna en una condicioacuten de equilibrio inestable Esto es cualquier pequeI1a encorvadura del elemento o un ligero movimiento de apoyo o carga haraacute que la columna colapse
Para las otras condiciones de los extremos se tiene
46
4rr El Ambos extremos empotrados Pcr = (247)
rr ElUn extremo libre y otro empotrado Pcr (248)
4(
(249)Un extremo empotrado y otro articulado Per
(250)En general Pcr
o Pcr
A
Cn 2 E
(e k)2 (251)
C Constante de condiciones de los extremos y tiene uno de los siguientes valores teoacutericos 14 12 4
En la Figura 13 se presenta la curva de Euler utilizando la ecuacioacuten (2-51)
tip
-~ 1-------------------------+ 1__
k iexcl~ I i 1k Q -k-iexcl
Figura 13 Graacutefica de la curva de Eulcr con C 1
La falla una columna es siempre repentina total e inesperada y en consecuencia peligrosa Valores alrededor del punto (( k)ciquest no se deben aplicar los conceptos anteriores iquestQue se hace
Se elige un punto T que tiene (~~)1 y se utiliza la ecuacioacuten de Euler
soacutelo cuando (50) (~) Se recomienda escoger el punto T tal que
47
12rr2CE 2Pcr Su
-_ == --- = aSI (2 A 2 Sy
211 Columnas de longitud intermedia
Se han propuesto varias foacutermulas para el intervalo de f k para el cual no resulta adecuada la foacutermula de Eulcr La foacutermula paraboacutelica o de J B Johnson es muy usada Pcr (()2 A = a -b ~ k) a Sy (ver curva an terior) y
Pcr =S - ( Sy 1JC le lt l( (I (253)A y 2rr k CE k - k) 2
212 Diagrama de flujo para disei10
Dependiendo de la seccioacuten transversal las columnas de EuIershyJohnson generalmente se disentildean sin emplear teacutecnicas de iteracioacuten Para el caso de una columna de seccioacuten circular sc pueden seguir los pasos que se resumen en el diagrama de la Figum 14 conociendo Pcr ( CE Y Sy
yM O D E ----1--- 1gt
L O
-------~+_------ x1 30
u n
1 e lemento de esfuerzo tiene Ciacutex -30 Ciacutey = -60 Y ty 25 (scr) Haacutellense los esfuerzos y las direcciones
48
principales y dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondien te al esfuerzo cortante maacutexiacutemo
Entrar Pcr e C E Sy
d
d=2
1
Figura 14 Diagrama de flujo para el discntildeo dc una columna de seccioacuten circular tipo Johnson o Eulcr
49
r rs rl
El segmento AD define el diaacutemetro del circulo de Mohr
El eje x es la recta PA EL eje y es la recta PD
La longitud PA = radio del circulo PD 11 = 12 = + 25
1rn aacutex 2915
01 = ~30~15+2915 = ~1585 bull
02 ~30~15~2915 ~7415
25 Tan2~ = 1666
15
2~ = tan- 1 1666 = 59deg bull
~ = 295 bull
50
Elemento correspondiente esfuerzos principales
a los Elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo El punto C se halla a 31 0 de T2 en el circulo de Mohr en sr
y y
(J -45
0] 1585 (J
295deg ----~~--_4-------+--~ Xx
-45
MODELO 2
La Figura ilustra un eje de transmisioacuten con chumaceras en A y D Y poleas en By C Las fuerzas que se indican representan las tensiones de las bandas en los lados tirante y flojo de las mismas Determiacutenese el diaacutemetro apropiado del aacuterbol tomando como base un esfuerzo normal de 16 kpsi y o un esfuerzo cortante de 12 kpsi
A
TB (300 - 50) x 4 250 x 4 = 1000 lb-pulg
51
Te == (360 - 27) x 3 = 999 lb-pulg z
y Plano X) Plano xz
350 lb
8 -t-- 8 ------ 6 -1
A ----~B----t--C--~t=D- x
RA 1 17818 n - 1~ 27lDl- ~I
M 16362
V
l7~ 1----+----+-- L __~___L___J 12727
EBiiquestMA=O EBl iquestMA-O (-350)8 + 22 Roy O (-387)16 + (RD )22 O
Roy = 12727 lb RD~ = 28145 lb
bull tiquestFy=O t iquest F = O
RAY - 350 + 12727 == O RAX - 307 + 28145 RAY == 22272m lb RAX 10554 lb
18y +(84432)2 = 1)7172 lb - pulg
+(168864) 185327 lb - pulgMe
Un punto en B
52
1000Tr 5093 lb 1
xl nd 4 dgteJ
32
al OA+AB ~ _---_shy
AB = R 1(5093)2 + (1~0435)2 11300 21~4~ u=_middotshy
I d~ (d J )2 (d J )2
Si Oadrn = 16 kpsi
el 1105 pulg
Si 1arlm = 12 kpsi entonces
d == ~-I~~ = 008 pulg por seguridad d -= I~ pulg
MODELO 3 Empleando un esfuerzo ortante maacutedmo permisible de 8000 psi determinar el diametro del eje necesario para transmitir 50 hp cuando a) la velocidad de rotacioacuten del eje es de 2000 rpm y b) cuando es de 200 rpm
al utilizando la ecuacioacuten (222)
63000 x 50 hpT =- = 1580 lb-pulg
2000 rpm
Con la ecuacioacuten (221)
Tr T(d I 1 permisible =
J TCd4~2
161d==
53
=gt d= 1 pulg
b) Para n = 200 rpm
63000 x 50 hpT= 15800 lb-pulg
200 rpm
)1
[1 Oacute(15800)] - 2 16 1d -- ----- - pu g1[(800)
MODELO 4 En una manivela en voladizo de longitud ( actuacutea una fuerza F en el centro Despreciando el cortante calcuacutelese la deflexioacuten maacutexima utilizando el teorema de Castigliano
~pt~----f ---shySe ubica una fuerza ficticia Q en el pun to donde se reqUIere la deflexioacuten
y
Q
MAB == F(x [2) + Q(x - e)
MBC = Q (x - r)
La energiacutea de deformacioacuten total seraacute
au 1 [r 2Mlimt1x -- DM dr + Ji 2iH 1u middot dX]cJQ 2E ) Ah
2 tJQ
54
al1(~ X _ (
aQ eQ
1 el r ] iquestj =- 12 [ F(x rt)+O(x-C) (x t)ch+ rlf)(X-()X
(Ji El _ 2 - Jgt 2
Haciendo Q = O
F 5 -Ih(x-rlt)(x C)dx=--shyEl 2 48E1iexcl
MODELO 5 El cilindro hidraacuteulico que se observa en la figura tiene un diaacutemetro interior de 3 in y operaraacute sometido a una presioacuten de 800 psi Con el montaje que se muestra el vaacutestago del pistoacuten debe configurarse como una columna con ambos extremos redondeados para cualquier plano de pandeo Dicho vaacutestago se haraacute de acero forjado AISI 1030 sin someterse a tratamiento teacutermico
a) Utilice un factor de disentildeo nd = 3 Y seleccione un tamantildeo preferido para el diaacutemetro del vaacutestago si la longitud de la columna es de 60 In
b) Repita la parte a) pero para una columna que mida 18 in de largo c) iquestQueacute factor de seguridad se aplica realmente a cada uno de los
casos anteriores
Acero forjado AISI 1030 Sy = 50 kpsi
a) para r = 60 in
P = 800 lb x 1t ( l5)2 in2
P 5655 klb IVNIVERSmAiJ rACiU~I~1 Igtf COLOMRIA ------middot~~ViiTl~~iexcl--
DEPTO DE UIBLlOTECAoacuteiBIBLIOTECA EFE GOMEZ 55
Preal = Pcrit = 3 x 5655 klb = 16965 klb
( (64)XO063il1) ~ d 143 ind
-2-n-2(-1-~ =gt ( = 3~2 ()(30)(1 0()shysv k)1 V 50kpsi
e e e 60 in ( k d =gt k = 143m =gt k = 167 83
4 4
Es e- (ij SI por lo tanto el diaacutemetro obtenido es el k k 1
correspondiente
b) Para ( 18 in
1 16 96~~b(18)2 i~
(I)n(30)(1 (t) Ih 2 IUl
1 = 00186 in4
1
d= (oacute4xO0186)4
d= 07846 in
(J )(30)( 1 Oh) =
50k-pi
( e I 10883lk I
1 e e 18n
k a 1
k 07846in
4 4
56
[ 9766
k
_e (_C 1 N 1 d - 1 t tEs o por o tanto este lametro no es e correc o en onces k k JJ
se calcula asiacute
d= 16965klh 50kpsix(l K) in
d = 2 +-------- = 0807 in T[50kpsi IXT[x30xI06 psi
c) d= 143 in
d= (143)4 (Iacutel)(r) 1= -__-iquest 2205in4
64
(Pcr)(t2)1= =~ Pcrit
r2E 16K2 341h
168~234 n= iquestn 29854
5655
Para d= 0807in
h middot O02082inxJxT[2x30xlO deg klbbullPcnt = ------ --------=--iquest Pcnt = 19 26
(18)2 in 2
Pcrl9 026 11 == == iquest n= 3364
real 5655
PROBLEMAS
l Para cada uno de los estados de esfuerzo que se presentan a continuacioacuten dibuje un diagrama del ciacuterculo de Mohr y encuentre los esfuerzos y direcciones principales normales y cortantes
57
Dibuje el elemento correspondiente a los esfuerzos principales y el elemento correspondiente al esfuerzo cortante maacuteximo
a) a x = 12 Oy = 6 4 (sr) b) ax == 16 Ui = 9 1xy 5 (scr) e) ax = 10 ay = -4 1xy 40 d) ax = 10 Ciy == O 4 (sr) e) ax == 10 Oy = 24 1xy 6 (scr)
n ax = -4 ay 12 7 (sr) g) ax = -50 Ciy = 60 80 (sr) h) ax == 6 ay = -5 8 (sr) i) ox = -8 ay = 7 1xy 6 (sr) j) (Jx = 9 ay = -6 3 (sr)
2 En una varilla de acero de 80 mm de largo y 15 mm de diaacutemetro actuacutea una carga de compresioacuten de 1 kN El material es acero al carbono Determine
a) El esfuerzo de compresioacuten b) La deformacioacuten (unitaria) axial c) La deformacioacuten total d) El aumento en el diaacutemetro de la varilla
3 Una varilla de acero de V2 pulg de diaacutemetro y 40 pulg de largo soporta una carga de tensioacuten de 30000 lb
al Evaluacutee el esfuerzo y el alargamiento de la varilla b) Si esta varilla de acero ha de ser reemplazada por una de
aluminio que deberaacute experimentar el mismo alargamiento iquestCuaacutel deberaacute ser su diaacutemetro
c) Calcule el esfuerzo en la varilla de aluminio
4 Se ha construido una biela con tres barras de acero de V4 pulg de grueso y 1 14 pulg de ancho como se indica Durante el ensamble se encontroacute que una de las piezas media soacutelo 31997 pulg entre centros de pasador en tanto que las otras dos median 32000 pulg exactamente
58
1 14
+
1------32 11 --------1
1 I
I
Determiacutenese el esfuerzo producido en cada barra despueacutes del montaje pero antes de que se aplique carga externa
5 La figura representa un diagrama de cuerpo libre de eje de acero sostenido por cojinetes de O y en B donde actuacutean las reacciones de apoyo RI y R2 Sobre la barra eje actuacutean las cargas FA = 45 kN y Fc 18 kN y tambieacuten momentos de torsioacuten de igual magnitud y sentido contrario TA = -Tc 600 N m
a) Traacutecense los diagramas de fuerza cortante y momento flexionan te y calcuacutelese los valores correspondientes a los puntos O A B y C
b) Localiacutecese un elemento diferencial en el punto inferior de la seccioacuten transversal en A (seguacuten la parte negativa del eje y) Encuentre todas las componentes de esfuerzo que actuacutean en dicho punto observando el elemento desde debajo de la barra eje
c) A partir del elemento diferencial de (b) traacutecese el diagrama del ciacuterculo de Mohr determiacutenense los dos esfuerzos principales y maacuterquense las localizaciones de al a2 1mRx ambos ejes de referencia y el aacutengulo desde el eje x hasta el eje que contiene a al
d) Dibuacutejese el elemento incluyendo los esfuerzos principales correctamente orientados desde un eje x horizontal y sentildeaacutelese cn eacutel todos los aacutengulos esfuerzos etc
59
x
6 Un eje de acero de seccioacuten circular estaacute cargado como se indica en la figura El eje tiene un diaacutemetro de 30 mm y estaacute apoyado sobre cojinetes antifriccioacuten (de bolas) precargados los cuales ocasionan cierta restriccioacuten en los extremos Calcuacutelese la deflexioacuten en el centro Primero supoacutengase que dichos extremos estaacuten fijos o empotrados (como se indica) y despueacutes que el eje estaacute simplemente apoyado iquestCuaacutel es la razoacuten entre las dos deflexiones
1-200~-300 200 -_1 fS YN ~ ~ rSkN
I~
7 Selecciones un perfil angular (o aacutengulo) estaacutendar de acero de lados iguales que soporte la carga indicada en la figura de manera que la deflexioacuten maacuteximo no exceda de 116 pulgadas
60
8 Seleccione una barra redonda de acero que soporte la carga indicada de modo que su deflexioacuten no exceda de 040 mm
9 Utilizando el teorema de castigliano encueacutentrese la deflexioacuten maacutexima del voladizo que se ilustra Despreacuteciese el cortante directo
10 En la figura (a) es el croquis de un eje de transmisioacuten y (b) es su diagrama de carga Calcuacutelese el diaacutemetro d que se necesita para que la deflexioacuten maacutexima no exceda de O O10 pulg El material es un acero de aleacioacuten con un moacutedulo de elasticidad igual a 30 Mpsi Empleacuteese el teorema de Castigliano
I 075 el
aJ I = 150 lh iexcl pUg I
I
RI b) R2
11 El marco rectangular en e se formoacute con tres tramos soldados de viga de patiacuten ancho Obteacutengase una expresioacuten para la deflexioacuten del marco en el punto de aplicacioacuten y en la direccioacuten de cada fuerza F
61
y ~--------------------~
I 1l middot1 1 h A-A
A L- A ~F
X ----- shy
A
12 Las barras OA Y AB que se muestran en la figura estaacuten hechas de acero UNS G 10100 laminado en caliente y tienen una seccioacuten transversal de 1 x 14 pulgada como se indica Con base en valores recomendados de las constantes de condicioacuten de extremos iquestque peso W produciriacutea una falla de columna en las barras
A y
r-----ll-----14+---shy
13En la figura se presenta una viga simplemente apoyada en la que actuacutean dos fuerzas Seleccione una pareja de canales de acero estructurales montados en forma adosada (espalda con espalda) para soportar las cargas de manera que la de flexioacuten a la mitad de la viga no exceda 116 in y que el esfuerzo maacuteximo no sea mayor que 6 kpsi
62
y 800 lb 600 lb
2ft 5 ft e
A B
14Determine la deflexioacuten en A en el eje de acero que se muestra en la figura Calcule la deflexioacuten a la mitad del eje iquestEn queacute porcentaje difieren estos dos valores
0-- 16 in ~+-1---- 24 in --_
300 lb
15 La deflexioacuten en B de la viga en voladizo que se observa cn1a figura puede determinarse sumando la deflexioacuten provocada por la fuerza en A cuando actuacutea individualmente a la producida por la fuerza en B cuando tambieacuten actuacutea en forma individual A esto se le conoce como meacutetodo de superposicioacuten es aplicable siempre que la deflexioacuten esteacute relacionada de modo lineal con la fuerza Usando el principio de superposicioacuten obtenga la deflexioacuten de la viga en B si 1 = 13 in4 y E = 30 Mpsi
400 lb 400 lb
~ 1)
3 ft J A
3ft j ~
B
16 La viga en voladizo que se presenta en la figura es un canal de acero estructural de 4 in y 54 lb Aplicando el meacutetodo de superposicioacuten determine la de flexioacuten en A iquestEn donde se debe aplicar la carga para impedir que se tuerza la seccioacuten del canal
63
y~1-----48 in- ----_1 220 lb
10 lb in
17 Determine la deflexioacuten maacutexima de la viga que se presenta en la figura El material de la viga es acero al carbono Utilice dos meacutetodos
y
10 in
Eje de 2 in de diaacutemetro
18 En la figura se muestra un contraeje de acero de 15 pulgadas de diaacutemetro que sostiene dos poleas La polea A suministra energiacutea a una maacutequina y se produce una tensioacuten de 600 lb en el lado tirante de la banda y 80 lb en el lado flojo seguacuten se indica La polea B recibe energiacutea de un motor Las tensiones de la banda en la polea B tienen la relacioacuten TI 0125T2 Determine la deflexioacuten del eje en la direccioacuten Z en las poleas A y B Supoacutengase que los cojinetes constituyen apoyos simples
64
y
z
19 Un cable hecho de acero tipo arado de 58 in de diaacutemetro tiene un moacutedulo de elasticidad de cable de Er 12 Mpsi y se utiliza para sostener una jaula de 500 lb Y una carga de 2000 lb en un montacargas de mina Si la longitud del cable entre el tambor de malacate y la jaula es de 100 ft determine el alargamiento que experimentariacutea el cable cuando se monten en la plataforma de la jaula una vagoneta y su carga La carga atribuida a la vagoneta con minerales es N= 300 lb El aacuterea de la seccioacuten transversal del cable en tensioacuten puede determinarse a partir de Am O4dr donde d r es el
diaacutemetro nominal del cable
20 Una columna con ambos extremos redondeados estaacute hecha de acero UNS 10150 laminado en caliente y tiene una seccioacuten rectangular de 10 x 25 mm Encueacutentrese la carga criacutetica de pandeo en kN para las siguientes longitudes de columna 85 175400 Y 600 rprn
21 Una columna con un extremo empotrado y el otro redondeado estaacute hecha de acero UNS G 10 100 laminado en calien te La barra es de seccioacuten rectangular de 12 x 1 V2 Haacutellese la carga de pandeo para las siguientes longitudes de columna 05 2 Y 4 pies
22Una columna de Euler con un extremo empotrado y el otro libre estaacute hecho de aluminio aleado El aacuterea transversal de la columna seraacute de 600 mm2 y ha de tener una longitud de 25m Determiacutenese la carga de pandeo de la columna correspondiente a las siguientes formas
a) Barra maciza redonda
65
b) Tubo redondo con 50mm de diaacutemetro exterior e) Tubo cuadrado de 50 mm por lado d) Barra maciza cuadrada
23 Una columna que tiene un extremo empotrado y el otro articulado y guiado se haraacute utilizando acero UNS G 10 100 laminado en caliente o bien el maacutes costoso acero UNS G 1 0500 estirado en friacuteo lo que dependeraacute de la decisioacuten del disentildeador La carga nominal de la columna es de 1400lb y ha de emplearse un factor de seguridad de 325 Si este elemento se selecciona de seccioacuten circular determiacutenese un diaacutemetro de seguridad con valor redondeado al 1 16 pulgadas para longitudes de 40 20 Y 7 pulgadas
24Se desea construir una columna de pino de 2m de largo de seccioacuten transversal cuadrada y articulada en sus extremos Si E 125 GPa CJmlm 12MPa para compresioacuten paralela a las fibras y n=25 Determinar el tamantildeo de la seccioacuten transversal si la columna debe soportar adecuadamente a) una carga de lOOkN b) una carga de 200kN
25Calcuacutelese la carga de comprensioacuten de seguridad correspondiente a un aacutengulo de acero estructural de 4 x 4 X 12 pulg y de 5 pies de longitud Usar n 4
66
CAPITULO III MATERIALES MAS UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCiOacuteN DE MAQUINARIA AGRIacuteCOLA
1 Introduccioacuten
Un primer paso para disentildear un componente de una maacutequina es buscar que la resistencia del mecanismo comparada con los esfuerzos a la que va a estar sometido conduzca a un factor de seguridad mayor que uno
Para encontrar esta meta el disentildeador debe conocer las propiedades de los materiales a usar Los ingenieros de disentildeo estaacuten in timamen te ligados con los ma teriales ele que disponen por lo tanto deben conocer a fondo las propiedades y las caracteriacutesticas de comportamiento pues para su seleccioacuten deberaacuten tomar en cuenta propiedades tales como ductilidad maquinabiliacutedad estabilidad mecaacutenica conductibilidad teacutermica y eleacutectrica pun to de fusioacuten duracIacuteoacuten quiacutemica y alteraciones por radiaciones asiacute como el importante factor de costo Las pruebas sobre un disentildeo particular pueden proveer unos datos uacutetiles y precisos Pruebas de laboratorio pueden indicar si el material de un disentildeo tuvo el correcto tra tamien to teacuterm ico la superficie terminada el tamantildeo y la forma para tener seguridad bajo condiciones de campo Lo ideal es que el ingeniero de disentildeo esteacute familiarizado con las teacutecnicas de tratamiento teacutermico y los meacutetodos de fabricacioacuten y consultar con un Ingeniero Mecaacutenico o un Ingeniero metaluacutergico para asegurar la mejor posible seleccioacuten teacutecnica de construccioacuten
La seleccioacuten de un malerial para un mecanismo o elemento estructural es uno de los primeros pasos quc debe realizar un ingeniero en el disentildeo de una maacutequina Esta decisioacuten debe tomarse a11 tes que se determinen las dimensiones de la pieza Despueacutes de elegir el material el disei1ador eliginl las ctimeIlsiones del elemento en estudio de modo que los esfuerzos y deformaciones a que estaacute sometido el mecanismo tengan valores razonables en relacioacuten a las propiedades del mismo
Para datos especiacuteficos de un material del ctisentildeo se debe consultar los coacutectigos y normas de las organizaciones que maacutes interesan para la construccioacuten de equipos del sector como son American Society Testing and Materiales (ASTM) InternacioIlnl Standars
67
Organization (ISO) Socicty of A u tomotive B~ngineers (SAE) American Society of Agricultural Engineers (ASAE) y a otras listas de estaacutendares que presentan las organizaciones referenciadas a traveacutes del texto
El eacutenfasis en la conservacioacuten de la energiacutea durante la deacutecada de los antildeos 70 afectoacute grandemen te la composicioacuten de los materiales usados en la fabricacioacuten de los vehiacuteculos automotores Los materiales ligeros tales como los plaacutesticos y el aluminio estaacuten convirtieacutendose en los de mayor consumo y ya son tenidos en cuenta en la construccioacuten de maqumana del sector agropecuario(Figura 15)
middot18
=1 1687
Peso total vehiacuteculo 3379 lb (1978)
11 Peso total vehiacuteculo 2816 lb (1987)L [-1 L~
ltU)~ +35 Q Il) -55
255o -20283I) o 210
~
+49
180200 iexcl
-16 -17
100
Hierro Acero Otralt
Figura 15 Tendencia de los materiales usados en la compOSlClOn de un vehiacuteculo automotor SAE 1997
La consideracioacuten maacutes importante para la seleccioacuten del ma terial es que las condiciones de operacioacuten deben estar bien definidas esto es temperatura medio esfuerzo impurezas costo y cualquier limitacioacuten para el ciclo de vida como el flujo plaacutestico o la fatiga
68
Aluminio Plomo Caucho Vidno Ziacutenc PlaacutestiCOS
Aquiacute se pretende mostrar el conocimiento buacutesico de los materiales maacutes comuacutenmente utilizados en la construccioacuten de maquinaria agriacutecola Es necesario seuacutealar que en ocasiones la eleccioacuten adecuada de materiales exige un intenso y costoso trabajo de investigacioacuten generalmente realizado por los fabricantes de los equipos del sector El proceso de manufactura usado para la fabricacioacuten de un determinado componente influiruacute tambieacuten en el tipo de material que puede ser usado
2 Clasificacioacuten de los materiales
En la Figura 16 se presenta la clasificacioacuten de los materiales de ingenieriacutea divididos en cuatro clases principales pues se consideran los ma teriales auxilia res como aquellas clase de elementos que se emplean en la fabricacioacuten y trabajo de los materiales como son los medios lubricantes y refrigerantes combustibles y medios abrasivos
3 Materiales metaacutelicos
A excepcioacuten del mercurio son sustancias soacutelidas con estructura cristalina de forma que sus aacutetomos se encuen tran dispuestos seguacuten una red regular Los metales se caracterizan por un enlace metaacutelico en donde se comparten los electrones en un verdadero mar de ellos Cada nuacutecleo se encuen tra rodeado de electrones pero eacutestos no estaacuten asignados especiacuteficamente a alguacuten nuacutecleo en particular Los metales tambieacuten se caracterizan por la apariencia de su superficie por lo general tienen un brillo mctuacutelico y pueden pulirse hasta obtener un acabado de espejo Los metales tambit~n son capaces de soportar grandes cargas son duacutectiles y tienen propiedades elaacutesticas reversibles hasta cierlo punto Pueden hacerse aleaciones para modificar sus propiedades tanto fiacutesicas como quiacutemicas Cuando un mismo metal puede cristalizar en diferentes redes una de las formas de cristalizacioacuten constitu)c un estado alotroacutepico que presentaraacute caracLcriacutesticas mecaI1lcas diferentes
4 Metales no feacuterreos
Se clasifican en metales pesados y ligeros Se consideran corno metales pesados aquellos cuya densidad es mayor de 49 kN m3
69
1 [ndidos ~~ I
- Hierro colado Acero fundido
-Fundido maleabl
No metales
Materiales sinterizados con tratamiento teacutermico riacutegido y duro
-Cobre -Zinc -Plomo -Estantildeo -Niacutequel -Cromo -Tungsteno
Molibdeno - Cobalto
- Antimonio - Cadmio - Bismuto
Mercurio - Plata - Oro
Platino
- Aluminio Magnesio
- Titanio Berilio
Naturales
- Carboacuten y - Cuero - Materiales - Vidrio - Armianto
Porcelana - Madera
Sinteacuteticos
- Materiales naturales - Transform
Siliconas
FIGURA 16 CLASIFICACIOacuteN DE LOS MATERIALES DE INGENIERIacuteA
70
- Medios de lubricacioacuten y
- Abrasivos Endurecedores Elementos de
soldadura
f
I Feacuterriexclos I
I Aceros
- Aceros de construccioacuten Aceros de herramientas y
5kgdm3 ) y como ligeros aquellos que no llegan a esa densidad Los principales metales pesados son cobre cine estaI1o plomo niacutequel cromo tungsteno molibdeno cobalto manganeso antimonio cadmio bismuto mercurio y los metales preciosos plata oro y platino Los metales ligeros maacutes frecuen tementc empleados son el aluminio el magnesio el titanio y el berilio Las propiedades de los metales puros pueden mejorarse mediante aleacioacuten e incluso pueden obtenerse con ello determinadas nuevas propiedades Mediante la aleacioacuten aumentan casi siempre la dureza y la resistencia mientras que en cambio disminuye el alargamiento La resistencia a la corrosioacuten tambieacuten empeora generalmente mediante la aleacioacuten en los metales no feacuterreos
Las aleaciones de los metales no feacuterreos se clasifican en aleaciones de fusioacuten o aleaciones de forja Las aleaciones de fusioacuten poseen para la actual forma ele colar propiedades maacutes favorables para la colada Se prestan por ello para la fabriacutecacioacuten de piezas fundidas Las aleaCIOnes de forja se pueden deformar (modelar) bien sin recurrir al arranque de viruta tanto en friacuteo como en caliente Se pueden hacer con estas aleaciones barras alambres chapas tu bos y perfiles
5 Metales pesados no feacuterreos
Cobre y sus aleaciones
a
(89 kg dm 3 )
l070 1093o C(cuanto maacutes puro es el cobre tanto maacutes elevado el punto de fusioacuten)
la 20 36 kpmm 2 en alambres finos llega 60 mm 2
El cobre puro es blando tenaz y muy duacutectil y mlleable La fractura es fibrosa nervuda y de brillo sedoso El cobre posee una elevada conductibilidad para el calor y la electricidad Es muy resistente a la corrosioacuten y al calor En contacto del aire se forma sobre eacutel una delgada capa protectora llamada paacutetina Por el contacto con el aacutecido aceacutetico se produce el venenoso cardenillo En la naturaleza se presenta principalmente formando minerales siendo los principales pirita de cobre calcocita colcosina o cobre vidrioso El cobre se emplea para conducciones eleacutectricas cajas de fuego soldadores serpentines de calefaccioacuten y refrigeracioacuten objetos de arte y aleaciones
Aleaciones cobre cinc (latoacuten) son entre todas las aleaciones de metales pesados las maacutes empleadas El contenido de cobre es
71
al menos del 50 Cuanto muacutes alto es eacuteste tanto mejor es su trabajabilidad sin arranque de viruta Se distingucn en trc las aleacciones cobre-cinc para fundir (latoacuten para fundicioacuten) y las aleaciones cobre cinc para forja (latoacuten propiamente o latoacuten especial) Estas uacuteltimas se fabrican genernlmente por el procedimiento de colada en cuerda lingotes redondos cuadrados o rectangulares y de ellos se hacen semi productos tales como las chapas laminadas en caliente o en friacuteo barras cuadradas hexagonales y planas asiacute como alambres y tubos estirados perfiles por el procedimiento de extrusioacuten y piezas de formas irregulares que se forjan en estampas
Aleaciones cobre estantildeo (bronce de estantildeo) las aleaciones cobre- estantildeo contiene de 83 a 98) de cobre 2 a 15(X de estclJl0 y algunas tienen adem cinc plomo y niacutequel Son muacutes resistentes a la corrosioacuten que las aleaciones cobre cinc poseen elevada resistencia a la traccioacuten y resistencia de buena a muy buena al desgaste
Cinc (2n) y sus aleaciones El cinc es de entre todos los metales soacutelidos el que tiene maacutes elevada dilatacioacuten teacutermica La resistencia a la corrosioacuten en el aire es buena pero la resistencia a la corrosioacuten frente a aacutecidos y sales es en cambio bastante reducida El cinc tiene una fractura cristalina gruesa
Densidad 71 kg dm 3
Punto de fusioacuten 419degC temperatura de vaporizacioacuten 907 oC Resistencia a la traccioacuten fundido 3 kpmm2 __~__ _~_ pr_~n sad(~_ 1plusmnk P 1m m 2
Es empleado como chapa de cinc como recu brimien to de plezas de acero y de hierro) de alam bres tu bos etc asiacute como en aleaciones Para el trabajo sin arranque de viru la (doblado plegado cte) se calienta el cinc previamente a 100C hasta 150degC Tiene que ser curvado siempre en sentido transversal al de laminacioacuten Las aleaciones de cinc fino para colar con adiciones de aluminio y de cobre
Estauumlo (8n) y sus aleaciones A causa de su buena resistencia a la corrosioacuten el estantildeo resulta sumamente apropiado como metal de recubrimiento para chapas de acero (cajas dc hojalata para conservas) No obstante los aacutecidos y las lejiacuteas lo atacan Por debajo de una temperatura de 18 n C el estauacuteo puede descomponerse y convertirse en un polvo gris fenoacutemeno conocido como enfermedad del eslauumlo y que se produce soacutelo con el friacuteo
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~ 73 kgj dm1
232degC 4 5 kpmm 2
Es utilizado en chapa de acero estantildeada (hojalata) laacutemina (papel u hojas de estantildeo) de 0008 a 02 mm de espesor (hoy generalmente se reemplazan estas laacuteminas por las de aluminio) soldadura y aleaciones
Plomo (Pb) Y sus aleacIacuteones El plomo tiene una buena resistencia frente a la corrosioacuten y tambieacuten rrente a los aacutecidos Los compuestos de plomo son muy venenosos por lo cuaL se han dictado prescripciones especiales
a la traccioacuten ------shy _
113 kgj dmeiexcl 327degC 1 5 ~(Pmm2
Es empleado en chapas de acero emplomadas recipientes resistentes a los aacutecidos placas de acumulador capas envolventes para cables bafios de plomo para templar tubos fabricacioacuten de albayalde minio de plomo vidrio de cristal y vidrio de len tes Puesto que el plomo no es atravesado por los rayos Roentgen por los de radio y anaacutelogos resulta apropiado para proteccioacuten contra esas radiaciones El plomo se alea bien con casi todos los metales
Niacutequel (Ni) y sus aleaciones El niacutequel brilla con brillo argentado es tenaz y se deja pulimentar bien Es sumamcnte resistente contra la corrosioacuten y es atraiacutedo por el imaacuten
sidad 885 kgdmmiddot1
Punto de fusioacuten 1450C Resistencia a la traccioacuten con recocido de ablandamiento 40 50 kpmm 2
con laminacioacuten dura 70 80 mm 2 --~------~-------~----~--~~_~- --- shy
Es utilizado en recubrimientos galvaacutenicos para la fabricacioacuten de aceros aleados y de aleaciones especiales Asiacute como para aparatos de la industria quiacutemica
Cromo (Cr) El cromo es de color gris acerado y su fractura cs de brillo argentado duro y agrio A causa de su elevmla resistencia a la corrosioacuten es muy apropiado para construir recubrimientos antioxidantes (cromo brillante y cromado duro)
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Tungsteno (W de wolframio) El tungsteno se emplea para hilos de incandescencia en laacutemparas eleacutectricas (a causa de su elevado punto de fusioacuten) para electrodos de soldadura y como adicioacuten en las aleaciones de aceros de herramientas y de construccioacuten asiacute como en los metales duros Da eacutel los aceros una gran resistencia en caliente y como consecuencia buena duracioacuten a los filos
to de fusioacuten maacutes alto de los metales
19k9jdm l 3370degC
Molibdeno (Mo) El molibdeno se emplea como componente de aleacioacuten en los aceros de gran valor (aceros finos) y para electrodos en los tu bos de rayos X
-
103 kgjdml 2600degC J
Vanadio (VI El vanadio (vanadin) tiene color gris acerado y es muy duro Se emplea en aceros aleados Pequentildeas cantidades de vanadio (solamente interviene en proporciones superiores al 02 en los aceros para resortes y en los aceros para herramientas de muy alta calidad) elevan notablemente la resistencia a la traccioacuten y la tenacidad El vanadio puro es muy difiacutecil de obtener Generalmente se tiene en el comercIO en forma de ferrovanadio que es una combinacioacuten de hierro y vanadio
nto de fusioacuten 57 kgjdm 3
1715degC
Cobalto (Ca) El cobalto tiene propiedades anaacutelogas a las del niacutequel y es muy tenaz El color variacutea desde el blanco rojizo hasta el azul acerado En virtud de su accioacuten endurecedora se emplea como adicioacuten en los aceros raacutepidos y panl la obtencioacuten de imanes permanentes muy buenos Es un componente importante de los metales duros
Manganeso (Mn) manganeso es un metal duro y fruacutegil Se emplea principalmente como metal de adicioacuten para el acero y
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para las aleaciones de cobre Sirve tambieacuten como adicioacuten en muchas aleaciones de metales ligeros
74 kgjdm J
1250degC
Tantalio (Ta) El tantalio es un metal gris y brillante Cuanto maacutes puro el metal tanto maacutes blando y duacutectil cs Mediante conformacioacuten en friacuteo puede variarse la resistencia a la traccioacuten entre los liacutemites 35 y 110 kpjmm 2 El oacutexido de tantalio (TalO) es fraacutegil y tan duro que con eacutel puede rayarse el vidrio el tantalio es muy resistente a la corrosioacuten y no es atacado nada maacutes que por el aacutecido fluorhiacutedrico
to de fusioacuten 166 kgjdm 3
3030degC Resistencia eacutel la traccioacuten de alambres con 1 45 kpjmm 2
~E1~_9 ~L~EL~~11~
Titanio (Ti) El titanio es un metal blanco argentado Es maacutes resistente a la corrosioacuten que el acero inoxidable El titanio tiene aproximadamente la misma resistencia que un buen acero de construccioacuten y conserva esta hasta temperaturas de incluso aproximadamente los 400degC El titanio se utiliza principalmente como componente de los metales duros y como adicioacuten de aleacioacuten en el acero y en el aluminio par nla construccioacuten aeronaacuteutica
451 kgjdm 3
1700degC
Antimonio (Sb) El antimonio es un metal brillante de color argentado muy fraacutegil y no se emplea muacutes que como metal ele adicioacuten para aleaciones Eleva la dureza del plomo duro del metal blanco del empleado para letras o tipo de imprenta Una aleacioacuten del 70deg0 de antimonio y 30) de hierro da chispas cuando se le somete a la accioacuten de una lima
sidad 66 kgjclm 3
nto de fusioacuten 630 n CL ___~_ _
Cadmio (Cd) El cadmio se utiliza mucho para la fabricacioacuten de aleaciones de bajo pun to de fusioacuten Hay aleaciones con 10( de cadmio que funden entre los 55deg y los 65degC Los recubrimientos galvaacutenicos de cadmio sobre hierro acero y aluminio pueden ser muy delgados y ser sin embargo resistentes (caclmiado) Los
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recubrimientos de cadmio tienen un brillo mate de bonito aspecto y se prestan para microacutemetros tambores de medida en las maacutequinas herramientas etc El cadmlO se emplea ademuacutes para metales de cojinetes (con8truccioacuten de automoacuteviles) y para placas de acumuladores (acumu ladores de niacutequel-cadmio)
86 kgdm1
320degC
Bismuto (8i) El bismuto es un metal blanco-rojizo fuertemente brillante La fractura es cristalina de exfolincioacuten en grandes laacuteminas Al solidificarse se dilata El bismuto es el principal componente de las aleaciones faacutecilmente fusibles (fusibles eleacutectricos) Se emplea ademaacutes como capa especular en las laacutemparas reflectoras
Densidad 98 kg dm 3
lPunto d~f~~ioacuten ____ ________________2__7__0_o C
Mercurio (Hg) El mercu rio es el uacutenico metnl que a la temperatura ambiente tiene estado liacutequido Por su gran dilatabilidad teacutermica se emplea para termoacutemetros Tiene la propiedad de disolver casi todos los metales salvo el hierro el niacutequel el tungsteno y el molibdeno formando con ellos amalgamas Estas amalgamas son amasa bies a temperatura ambiente pero con el tiempo se puedcn endurecer (empale de los dien tes)
ad 135 kgdm 3
Punto de fu sioacuten -39degC
Metales preciosos Se llaman metales preciosos los que no son atacables por la mayoriacutea de los productos quiacutemicos y que DI
auacuten bajo accioacuten del calor se combinan con el oxigeno del aire_
Plata (Ag) La plata es el metal que tiene mayor cond uclibilidad eleacutectrica Se utiliza para alambres de cartucho fusibles o cortacircuitos y para contactos La plata tiene la misma dilatacioacuten teacutermica que el latoacuten_ Los mejores espejos para instrumentos oacutepticos van provistos de un recubrimiento de plata
sidad to de fusioacuten
Oro (Au) El oro es un metal blando de color amarillo rOJIZO_
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Su grado de pureza se da en mileacutesimas o en quilates El oro estaacute compuesto por 1000 partes de oro que corresponden a 24 quilates una aleacioacuten de oro con 585 partes del mismo tiene 14 quilates y otra con 333 partes de oro tiene 8 quilates Corno el oro es muy blando se utiliza casi siempre aleado con plata cobre o niacutequel y con se hacen objetos de joyeriacutea y monedas
193 kgdm1 1063degC
Platino (Pt) El platino es despueacutes del osmio (densidad 2248 kgdm 3 ) y el iridio (densidad 2244 kgdm1) el metal maacutes pesado No se oxida ni aun incandescente al blanco y conserva su brillo metaacutelico Es inatacable por los aacutecidos con excepcioacuten del agua regia (mezcla de 3 partes de aacutecido clorhiacutedrico y 1 parte de aacutecido niacutetrico) y las lejiacuteas El platino tiene buenas propiedades mecaacutenicas y se deja laminar estirar y prensar bien (laacuteminas hasta 00025 mm y alambres hasta 0015 mm de espesor El platino se emplea para caacutepsulas y crisoles de los laboratorios quiacutemicos y para contactos en ruptores de corriente asiacute como para termopares (medicioacuten de temperaturas hasta los 1600degC) y en piezas joyeriacutea
215 kgdm1 1770degC
6 Metales ligeros
Aluminio (Al) Propiedades El aluminio expuesto al aire se recubre de una capa de oacutexido y con ello se hace muy resisten te a la corrOSlOn Posee buena conductibilidad eleacutectrica (aproximadamente 23 de la del cobre) y es un buen conductor del calor Es susceptible de ser estirado prensado laminado estampado colado soldado admitiendo tambieacuten la falsa soldadura se puede pulverizar y permite trabajarse bien por torneado fresado taladro etc aluminio posee una facilidad para constituir aleaciones El material de partida para su produccioacuten en plan industrial es la bauxita
a la traccioacuten fundido de ablandamiento
27 kgdm 3
658degC 9 12 kpmm2 7 kp mm 2
13 20 2 ---- shy --------- shy
Aleaciones de aluminio el aluminio se alea sobre todo con Mg Cu Si Pb y Mn Las aleaciones de aluminio con contenido
de cobre tienen gran resistencia mecaacutenica pero menor resistencia a la corrosioacuten que las aleaciones exentas de cobre
El aluminio y las aleaciones de aluminio soacutelo se trabajan bien cuando se man tienen los aacutengulos de ataque correctos y ademaacutes se utilizan grandes velocidades de corte y medios de lubricacioacuten adecuados
Magnesio (Mg) El magnesio es soacutelo deacutebilmente resistente a la corrosioacuten en forma de viruta y de polvo asiacute como estado liacutequido es muy facilmente inflamable Por esta razoacuten al fundir y colar el magnesio y sus aleaciones hay que evitar la entrada ele oxiacutegeno mediante espolvoreado de azufre
Los incendios de magnesio tienen que apagarse con arena o con viruta de fundicioacuten gris No deben apagarse nunca con agua (llama muy viva) Las aleaciones de magnesio constituyen los materiales metalicos maacutes ligeros
sidad 174 kgjdm 3
to de fusioacuten 650degC____--_
7 Materiales sinterizados
El sinte rizado es un tratamiento teacutermico de piezas o de semiproductos obtenidos por prensado de polvos metaacutelicos o de oacutexidos metalicos o de carburos La compactacioacuten del material bajo la influencia de las fuerzas de cohesioacuten entre los graacutenulos pastosos del polvo es lo que se llama sinterizacioacuten
Son ventajas especiales de la teacutecnica de sinterizacioacuten las siguientes se pueden unir entre si mucho maacutes faacutecilmente que por fusioacuten materiales con puntos de fusioacuten y densidades muy diferentes Pueden obtenerse materiales que o bien son porosos (filtros mecanicos materiales para soportes) o bien son compactos (piezas para construccioacuten)
La fabricacioacuten de piezas sinterizadas tiene lugar seguacuten sean las propiedades perseguidas en las siguientes etapas obtencioacuten del polvo prensado de este polvo para formar piezas de forma sinterizado de estas piezas prensado posterior y calibrado de las piezas sinterizadas asiacute como tratamientos por templado cernen tado o impregnacioacuten con aceite
Para la produccioacuten de polvos metaacutelico exislen diversos procedimientns La fabricacioacuten de polvos se realiza tanlo por viacutea quiacutemica como por viacutea electroliacuteptica pero sobre todo por
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pulverizacioacuten dc metales liquidas median te chorro de aire comprimido o mediante chorro de vapor de agua
Prensado el prensado de los polvos se produce en herramientas de presioacuten epresamente construidas para ello y dispuestas en prensas especiales que se accionan hidraacuteulicamente Los polvos no adquieren al prensarse la misma densidad por todas partes como ocurre en el caso de masas liacutequidas () pastosas
La temperatura de sinterizacioacuten en los polvos de una sola substancia es de 60 a 80 de la temperatura de fusioacuten de ese material y en el caso de polvos construidos por vanas substancias esa temperatura es ligeramente superior a la temperatura de fusioacuten de las substancia de menor punto ele fusioacuten Las temperaturas de sinterizacioacuten de algunos de los principales materiales son bronces porosos 600 a 800degC hierro y acero sinterizados 1000 0 a 1300degC metales duros 1400 a 1600degC y metales de elevado punto de fusioacuten como el tungsteno el molibdeno y el tantalio de 2000 a 2900degC
Seguacuten sea la composicioacuten de los materiales sinterizados eacutestos podraacuten ser tratados posteriormente para mejorar determinadas propiedades ASIacute por ejemplo en el acero sinterizado podraacute mejorarse la resistencia a la traccioacuten mediante un enfriamiento brusco y en el hierro sinterizado podraacute mejorarse la resistencia al desgaste y a la corrosioacuten mediante revenido en vapor de agua recalentado a 200degC Tanto el acero como el hierro sinterizados pueden cementarse y templarse superficialmente Los bronces sinterizados se impregnan con aceite para obtener buenas propiedades de deslizamiento y de marcha en condiciones precarias el latoacuten sinterizado es apropiado para el tratamiento galvaacutenico de la superficie
Se distinguen materiales de filtrado altamente porosos materiales porosos para cojinetes materiales sintcrizados para piezas de precisioacuten ordenados seguacuten material baacutesico grado de relleno del espacio y densidad asiacute como materiales sinterizados impregnados
1 Materiales no metaacutelicos
Los materiales no metaacutelicos se les clasifica como naturales y sinteacuteticos siendo la madera el tradicionalmente u lilizado en la fabricacioacuten de partes de maquinaria agriacutecola y los plaacutesticos los que hoy maacutes se estaacuten utilizando Dentro de los materiales plaacutesticos se distinguen los teacuterminos termoestables o termofraguable para scuacutealar aquel material para el cual el
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termino de polimerizacioacuten termina en una prensa de moldeo en caliente donde el material se derrite a presioacuten esto es que experimentan un endurecimiento cuando se aumenta la temperatura Se destacan dentro de este grupo los expoacutexicos siliacuteconas y los fenoacutelicos con elevada resistencia y foacuteciacuteles de mecanIzar y u tilizados en ju ntas correas engranajes aisladores tu bos y chapas estructurales
El teacutermino termoplaacutestico se utiliza para aquel material plaacutestico que se suaviza o se reblandece o es moldeable cuando se aplica calor Dentro de este grupo vale la pena resaltar el poliacutec1oruro de vinilo polieti1eno el poliestireno el tefloacuten y el nyloacuten que generalmente son utilizados en elementos no resistentes como carcasas y reci pien tes en general
La variedad de caracteriacutesticas y de propiedades obtenibles con los plaacutesticos es muy amplia y se deben considerar la influencia de muchos factores como la moldeabilidad coeficiente de friccioacuten influencia de los agentes ntmosfeacutericos resistencin al impacto refuerzos y el costo Los fabricantes proporcionan en sus cataacutelogos informacioacuten valiosa para una acertada seleccioacuten de los materiales plaacutesticos
2 Aleaciones metaacutelicas
Definida como la mezcla de metales realizados por fusioacuten de los mismos con disolucioacuten parcial o total de los componentes lograacutendose una estructura particular que le confiere determinadas propiedades mecaacutenicas que dependen dc las proporciones de la mezcla y del proceso de enfriamicn to utilizado
A una determinada preslOn los metales poseen un pu n to de fu sioacuten determinado mientras las aleaciones en su cambio de estado no mantienen su temperatura constante modificaacutendose no solamente sus propiedades sino tambieacuten su estructura
Las aleaciones estaacuten basadas principalmente en la mezcla de hierro (aleaciones feacuterricas) como las aleaciones hierro-carbono y aquellas que se generan con metales que no son el hierro (aleaciones no teacutermicas) que utilizan otros elementos como cobre aluminio niquel estantildeo plomo ZInc manganeso y titanio
91 Aleaciones hierro-carbono
Las propiedades mecaacutenicas y la capacidad de conformacioacuten de
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las aleaciones hierro-carbono se modifican seguacute n el porcentaje de earbono en su composicioacuten y el procesamiento llevado a cabo para su obtencioacuten Es por esto que en esl(1s aleaciones se distinguen
El hierro dulce o forjado es esencialmente un acero con bajo contenido de carbono inferior a O] Y con inclusiones de escoria entre el 1-3 un material blando y duacutectil que se suelda sin dificultad que comparado con el acero ofrece alta resistencia a la corrosioacuten
El acero es una aleacioacuten de hierro y carbono o de hierro carbono y otros elementos de aleacioacuten con un contenido de carbono inferior al 2 Son las aleaciones maacutes empicadas por su resistencia y capacidad de conformaeioacuten Cuando el carbono representa el uacutenico elemento de aleeacutelcioacuten en el acero a este se le conoce como acero al carbono ordinario El carbono es un elemento significativo y poderoso de aleacioacuten de tal manera que cualquier cambio en el porcentaje de este elemento puede conducir a amplias variaciones en la resistencia y dureza Cuando se requiere mejorar alguna caracteriacutestica en particular como la densidad dureza resistencia a la corrosioacuten y otr(1s se suele alear el hierro-carbono con otros metales como el niquel cromo vanadio manganeso o molibdeno
Las fundiciones son aleaciones con un contenido de carbono que oscila entre 2 y 67 aunque comercialmente se encuentren entre 25 a 45 Dependiendo del sistema de enfriamiento utilizado en su obtencioacuten se distinguen
La fundicioacuten gris o hierro colado gris donde predomina el efecto del alto contenido de silicio que es causa de que el carbono al enfriarse se separe en forma de grafito Presenta bajos porcentajes de azufre manganeso y foacutesforo Llega a las fundiciones en forma de lingotes y se si e tra bajando en ellas para hacer la fundicioacuten de molde Debido a su relativo bajo costo a su facilidad para ser fundido o ca lado en grandes cantidades eacutel su alta resisten y a su faacutecil maquinado es el que maacutes se empIca Se utiliza para la construccioacuten los bloques de los motores engranajes etc Este material no se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse defecto que puede aminorarsc si la pieza es precalentada con cuidado La fundicioacuten blanca o hierro colado blanco en d011(1e el hierro estaacute en la forma de cernentita y perlita sin que haya grafito resultando en una estructura blanca Es de alta
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dureza muy fraacutegil duro para el maquinado pero resistente al desgaste Utilizado en la construccioacuten de rejas arados y llantas
La fundicioacuten maleabk se obtiene partiendo del hierro bruto especial chatarra y otras adiciones en los hornos eleacutectricos o en cubilotes Es un material mecanizable utilizado en la construccioacuten de chapas
La fundicioacuten nodular que reuacutene las ventajas de las fundicioacuten gris y blanca como es su alta dureza ductibilidad y faacutecil maquinado
92 Otras aleaciones
Aleaciones de cobre han sido ampliamente empleadas por caracteriacutesticas como su resistencia a la corrosioacuten maleabilidad conforma bilidad ductilidad resistencia mecaacutenica moldea bilidad etc Las aleaciones maacutes universalmente utilizadas son
Latoacuten es una aleacioacuten entre cobre y zinc Seguacuten su porcentaje de cobre y zinc presentan denominaciones y propiedades diferentes latoacuten rojo (5-20 Zn) latoacuten amarillo (20-3TYc se Zn) latoacuten naval (60(0 Cu39 25 Zn 075 Sn)
Bronce es una aleacioacuten entre cobre y estallO Permite su aleacioacuten con un tercer metal denominuacutendose bronce al aluminio bronce al silicio bronce fosforado
Aleaciones de aluminio son aleaciones extraordinariamente resistentes a la corrosioacuten poseen muy baja densidad pero presentan tambieacuten muy baja resistencia meca111Ceacutel Su maleabilidad hace que su utilizacioacuten en laacuteminas sea generalizada Posee elevada capacidad de conduccioacuten del calor y electricidad
10 Tratamiento teacutermico
Procedimiento que propone modificar la estructura de los materiales metaacutelicos mediante calentamiento y dar con ello otras propiedades
Las herramientas y las pIezas de las maacutequinas tienen que tener una dureza una permanencia de poder cortnnte y una resistencia adecuadas a la utilizacioacuten que han de tener Por ejemplo el filo de un cincel ha de estar enteramente templado Los dientes de una rueda dentada por el contrario deben tener
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capas exteriores duras y con ello resisten tes al desgflsle Los nuacutecleos de los dientes sin embargo tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elflsticamente a choques y a la flexioacuten Estas propiedades soacutelo se obtienen mediante una buena eleccioacuten del material apropiado y de un conveniente tratamiento teacutermico
101 Componentes de la estructura y transformacioacuten un acero no aleado el contenido de carbono es decisivo para las variaciones de las propiedades en el acero no aleado Seguacuten sea el contenido de carbono se distinguen tres grupos principales de los aceros no aleados
Acero con un 086 de contenido de carbono tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogeacuteneos Estos cristales se llaman perlita a causa de su aspecto perlado cuando se obtiene una micrografiacutea metalograacutefica
Acero con menos de 086 de carbono su bajo contenido de carbono hace que su estructura ademaacutes de perlita tenga ferrita sobrante Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita perlita Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita
Aceros con maacutes de 086 de carbono contiene tanto carbono que despueacutes de la formacioacuten de perlita queda todaviacutea un sobrante de carburo de hierro (Fe3Ccementita) Es una estructura no equilibrada y se d con el nombre de perlitashycementita La cementita es el componente maacutes duro de la estruclura del acero
102 Recocido se entiende por recocer la aCClO11 de calentar lentamen te a una determinada temperatura la detencioacuten a esa temperatura y el lento enfriamiento subsiguiente Se distingue entre recocido para eliminar tensiones recocido para ablandar y recocido de normalizacioacuten
En el recocido para eliminar tensiones se disminuyen las tensiones aparecidas por la colada el cilindrado la forja la soldadura o por una conformacioacuten con fuerte arranque de viruta Para ello se calientan las piezas de una a dos horas y a continuacioacuten se enfriacutean muy lentamente temperaturas aceros sin eacutedear estaacuten comprendidas entre los 550 y los 600C para aceros de baja aleacioacuten la temperatura se encuentra entre los 650 y 70CC
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103 Temple el templado del acero se realiza en tres escalones calentamiento a temperatura de temple detencioacuten eacutel esta temperatura y enfriamiento raacutepido El acero hay que calentarlo primeramente con lentitud y despueacutes llevarlo reacuteipidamente a la temperatura de temple Para impedir un calentamiento demasiado raacutepido e irregular de las partes salientes y delgadas y por lo tanto delicadas de las piezas lo que se hace es empIcar cubrimiento protectores como las tiras de amianto pinturas y pastas protectoras
En el enfriamiento reacuteipido la substraccioacuten de calor evita la regresioacuten de la estructura La dureza conseguida depende no solamente de la composicioacuten de los aceros sino tambieacuten de la rapidez del enfriamiento
104 Revenido Es volver a calentar despueacutes del temple Tiene por objeto suprimir las tensiones y la gran fragilidad de las piezas Seguacuten sea la temperatura de revenido se elcvan con ella la tenacidad del acero pero disminuye correlativamente la dureza Al recocer aparecen sobre una superficie brillante de acero los llamados colores de revenido de los cuales cada uno corresponde a una temperatura determinada Mediante envejecimiento (almacenaje) las piezas pierden las tensiones internas formadas en el tratamiento teacutermico S111 que ello disminuya su dureza
105 Tratamiento teacutermico de los aceros de herramienta los aceros de herramienta no aleados los de aleacioacuten baja y los fuertemente aleados exigen a causa de su diferente composicioacuten tambieacuten un diferente tratamiento teacutermico Por esta razoacuten es necesario conocer exactamente la clase de acero antes de proceder al tratamiento teacutermico
Los aceros de herramienta sin alear son aceros al carbono puros con 06 a 15 de carbono Se calientan a temperaturas de 760 a 850degC y se enfriacutean bruscamente en agua ele 20degC (temple al agua) En el enfriamiento tiene decisiva importancia la forma y la clase asiacute como la manera de sujetar la pieza al sumergirla y el movimiento dentro d~1 liacutequido empleado para el enfriamiento Al sumergir la pieza en el liacutequido de templar hay que hacerlo con la masa por delante para facilitar la salida de burbujas y de vapor La pieza hay que moverla constantemente cuando se estaacute templando El revenido debe seguir lo meacuteis inmediatamente posible al temple y se reviene a temperaturas de 220 eacutel 320degC con refrigeracioacuten subsiguiente en agua Con esto se aumenta la tenacidad transformando la dureza viacutetrea en dureza corriente para el uso
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Los aceros de herramienta de baja aleacioacuten contienen de 08 hasta 17 de carbono en total menos de 5deg de cromo tungsteno niacutequel molibdeno y vanadio Seguacuten sea su composicioacuten se llevan a una temperatura de 780 a 850C templan en aceite o en agua mplan totalmente y tienen una estructura de rotura aterciopelada Adquirida la temperatura se exponen al aire sin corrientes para enfriarlas a temperatura ambiente Las temperaturas de revenido son de 220 eacutel 320C Todo el tratamiento teacutermico es parecido al de los aceros sin alear
Los aceros de herramienta de fuerte aleacioacuten tienen muacutes del en componentes de la aleacioacuten Su contenido de carbono estaacute comprendido entre un 03 y un 22 r(iexcl contiene hasta un lS( de tungsteno hasta un 11( de cobalto asiacute corno adiciones de molibdeno cromo y vanadio La temperat ura de tem pIe estaacute comprendida entre 950 y 1200C y se templan en aceite bantildeo caliente o con un chorro de aire caliente a presioacuten (temple al aire) Se enfriacutea a continuacioacuten hasta la temperatura ambiente exponiendo la pieza al sin corrientes Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco El recocido se realiza seguacuten sea su composicioacuten y el tratamiento de temple se hace entre 100 Y 600degC A diferencia de 10 que ocurre con los aceros no aleados o los de baja aleacioacuten no presenta reduccioacuten de dureza sino que esta aumenta (revenido con aumento de dureza)
Tratamiento teacutermico de los aceros de construccioacuten se distingue entre el tratamiento superficial (obtencioacuten de dureza en la superficie) y mejorado o afino
El templado superficial se emplea cuando la piez8 a tratar haya de tener una superficie dura resistente al desgaste y un nuacutecleo tenaz como es el flanco de los dientes de las ruedas dentadas El endurecimiento superficial se puede dar por aportacioacuten de carbono o nitroacutegeno en las zonas a endurecer en un acero no templable y endurecimiento de la capa exterior en un acero templable Al primer procedimiento pertenecen el endurecimiento por cementacioacuten o tem pIe de cementacioacuten y el endureciacutemiento por nitruracioacuten El segundo proceso puede realizarse por los sistemas de temple por flameado temple por inmersioacuten y temple por induccioacuten
Para el temple por cementacioacuten se usan los aceros pobres en carbono (010 a 015 de carbono) asiacute como los aceros de baja aleacioacuten Para endurecer su superficie o c8pa exterior hay que
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aportarles carbono Esto se realiza mediante medios (pueden ser soacutelidos liquidos y gaseosos) llamados de cementacioacuten que cedan carbono ya sea en cajas de cementacioacuten en ba1108 de cementacioacuten o por medio de gases
El templado por nitruracioacuten es un endurecimiento superficial en el cual penetra nitroacutegeno por la superficie de la piegta En la capa marginal se forman combinaciones de hierro y nitroacutegeno los conocidos como nitruros que forman la dureza de la capa sin que sea necesario proceder al suacutebito enfriamiento del temple produciendo una dureza que sobrepasa muy ampliamente a la producida en la cementacioacuten con carbono La profundid8d de dureza es solamente de algunas deacutecimas de miliacutemetro
carbonitruracioacuten es un procedimiento mixto En el se carbura y se nitrura simultaacuteneamente Es en realIdad un procedimiento de templado o endurecimiento por cementacioacuten en donde la adicioacuten de carbono contribuye a que se establezca una buena unlOn entre la capa nitrurada y muy dura con el material de base
En el temple por flameado se calienta la superficie de la pieza por poco tiempo a la temperatura de temple mediante llama de
de alumbrado o de llama oxiacetileacutenicH Antes de que el calor haya podido penetrar hasta el interior de la pieza se enfriacutea eacutesta mediante una ducha o regadera consiguiendo no solamente endurecer la superficie sino t8mbieacuten tener el nuacutecleo bl8ndo y tenaz
En el temple por inmerSlOn se calienta la capa exterior de la pieza a la temperatura de temple mediante inmersioacuten en un bai10 neutro de sal El calentamiento se realiza raacutepidamente con regularidad y con cierre hermeacutetico al aire Para este procedimiento se emplean los mismos aceros que p8ra el temple por flameado
En el temple por induccioacuten el calor no se aporta del exterior sino que se produce eleacutectricamente mediante corrientes de alta frecuencia que recorren la capa exterior de la pieza F~I
calentamiento de la pieza se basa en la resistencia a la constante inversioacuten del magnetismo en los cristales de material de la capa exterior producida por una espiral que conduce corriente alterna de alta frecuencia La profundidad del temple es tanto maacutes pequefla cuanto maacutes grande es la frecuencia Despueacutes del calentamiento de la capa exterior se enfriacutea la pieza sacada del campo inductivo en bantildeo de agua o aceite Puesto
86
que el calor no puede penetrar heacutelsta el nuacutecleo de leacutel pIacuteezeacutel se obtiene una capa exterior dura mientras el nuacutecleo permanece blando y tenaz
106 Tratamiento teacutermico de la rundicioacuten de hierro Con el enfriamiento de la pieza fundicioacuten se originan tensiones qUeacute pueden producir en la pieza yeacutel enfriada o despueacutes de su mecanizacioacuten con arranque de viruta uneacutel deformacioacuten o la aparicioacuten de grietas Mediante un largo almacenaje (envejecimiento natural) de las piezas al aire libre antes de ser mecanizadas (6 a 8 meses) las tensiones se relajan eacutel lo largo del tiempo Las piezas demasiado grandes o voluminosas para el horno pueden distenderse aplicando vibracioacuten enlre 8 y 25 horas Para piezas pequel1as las tensiones pueden desaparecer mediante envejecimiento artificial en horno a temperaturas ele hasta 300degC
Si la fundicioacuten de hierro fue colada en molde metaacutelico (coquilla) las piezas obtenidas tienen una superficie maacutes lisa que las que han sido coladas en molde de arena y tienen ademaacutes una notable mayor exactitud dimensional Para la disminucioacuten del desgaste puede templarse la fundicioacuten de hierro mediante flameado o por el procedimiento de induccioacuten No se pueden templar sino aquellos tipos de fundicioacuten en los que las laminillas de grafito esteacuten embebidas en una estructura de fondo perliacutetica con 06 a 09() de carbono Con el templado por flameado se obtienen profundidades de 1 a 3 mm
107 Tralamiento teacutermico de los metales ligeros Con el tratamien to teacutermico de los metales ligeros se aItera su estructu ra Con ello variacutean tambieacuten alguneacutels propiedades sobre todo la resistencia el liacutemite de elasticidad el alargamiento y la dureza El aluminio y las aleaciones de aluminio exigen distinto tratamiento teacutermico que las aleaciones de magnesio pueden recibir un recocido de ablandamiento y algunas pueden ser revenidas
Mediante el recocido de eacutelblandamiento se disminuye la dureza y la resistencia aumenteacutelndo por ello el alargamiento se obtiene por 10 lanto una elevada dcformabiacutelidad
Mediante el revenido (temple de segregacioacuten) puede elevarse notablemente la resistencia de algunas eacutelleaciones de aluminio 11 dureza aumenta con el revenido y el alargamiento d ism inuye Las aleaciones de magnesio no se pueden revenir sino solamente ser sometidas al recocido de ablmldamien to y cleben decaparse inmediatamente despueacutes del treacuteltamicnto teacutermico ya
87
h
~imiacutete de
Moacutedulo F
que son poco resistentes a la corrosioacuten
11 Propiedades de los materiales
Las propiedades particulares de un material son importantes en el diseuumlo de un componente de maacutequina y un diacutesello puede requeriacuter maacutes de una propiedad que de otra dependiendo ele la aplicacioacuten y la carga La resistencia la elasticidad y la ductilidad para los metales y otros tipos de materiales generalmente se determinan de las pruebas de traccioacuten en la cual la muestra o barra de ensayo (probeta) que ha sido previamente normalizada se sujeta por ambos extremos en una maacutequina universal de ensayo La probeta va provista de cabezas de sujecioacuten ciliacutendricas coacutenicas o provistas de rosca La probeta se carga progresivamente en la maacutequina hasta que rompa In magnitud de la fuerza sobre la barra y su correspondiente cambio en longitud (deformacioacuten) son monitoreadas y registradas continuamente durante la prueba Como el esfuerzo en la barra es igual a la fuerza aplicada divictida por el uacuterea el esfuerzo es proporcional a la fuerza aplicada Los datos de la prueba de traccioacuten son mostrados en los diagramas esfuerzo deformacioacuten tal como lo indican las Figuras para el acero y el aluminlO y otros materiales que no poseen punto de Duencia
111 Resistencia uacuteltima (Su) pico de la curva esfuerzo deformacioacuten es considerado como la resistencia uacuteltima a la tensioacuten conocida tambieacuten como resistencia uacuteltima o simplemente resistencia a la tensioacuten
Punto de Fluenciacutea ___~_~bullbullbull--- Curva de eqfllerzo verdadero
Re81 tencLJ(S I elastn-sectima u
proporcionalidad
de elaRtlciacutedad = -~~
ti
Figura 17 Diagrama tiacutepico esfuerzo-deformacioacuten parn el acero
Como lo muestran las Figuras (17 y 18) la curva cae despueacutes de este pico Sin embargo es de anotar que la instrumentacioacuten usada para crear los diagramas dibuja carga-denexiacuteoacuten en lugar de esfuerzo-deformacioacuten El esfuerzo aparente es encontrado dividiendo la carga por el aacuterea de la seccioacuten transversal original
88
a
de la barra Despueacutes de que el pico es nlcnnzado hay un decrecimiento en el diaacutemetro de la barra refcrenciado como rebaja de cuello Asiacute la carga actuando sobre una peqllella aacuterea y el esfuerzo actual continuacutean au mentando hnsta la falla o punto de rotura
imite de proporcionalidad Liacutemite elaacutestico e d _~_ urva e esfuerzo verdeacuteidero_-T-__qes - --- Resistencia Resistenc a Oltima iexclSu)
JSfluencia (Sy)
Liacuteneas paralelas
~Alargamiento generalmente 02 Deformacioacuten lE)
Figura 18 Tiacutepico esfuerzo deformacioacuten para el aluminio y otros metales con punto de fluencia cero
11 2 Re tenciacutea a la fl uenciacutea (Sy) la porcioacuten de la Cl rva en el diagrama esfuerzo-deformacioacuten donde para un alLo incremento de la deformacioacuten hay poco o nulo incremento en el esfuerzo es conociacuteda como la resistenciacutea a la fluenciacutea Esta propiedad indica que el material fluye es decir con esa solicitacioacuten se alarga la probeta sin elevacioacuten de carga hasta que la estructum se haya nuevamente consolidado La curva muestra aquiacute una clara inf1exioacuten Si el punto de fluencia completamen te definido la propiedad es llamada punto de fluencia maacutes bien que resistenciacutea a la fluencia En las curvas tiacutepicas para metales no ferrosos como aluminio o titanio o ciertos aceros de alta resistencia se observa que no hay un punto de fluencia determinado Para estos materiales que no tienen un punto de alargamiento claramente sentildealado es decir cuando la curva del diagrama esfuerzo-deformaciacuteoacuten mantenga una marcha continua sin inflexioacuten ninguna se considera el liacutemite 02 como liacutemite de alargamiento Este es el punto para el cual se produce un alargamiento permanente de 02) respecto a la longitud (Lo) inicial Se determina mediante una paralela al trazo recto de la curva en su parte inicial
89
113 Liacutemite ciacutee proporcionalidad es el punto de la curva esfuerzo-deformacioacuten donde esta se desviacutea de la liacutenea recta Es decir por encima de ese valor de esfuerzo este no es proporcional a la deformacioacuten Por debajo del liacutemite de proporcionalidad se aplica la ley de Hooke F~n el disei10 mecaacutenico los esfuerzos en los materiales son raramen te usados por encima ele este liacutemite
114 Liacutemite elaacutestico punto ele la curva donde el material recobra su longitud primitiva al suprimiacutersele la carga A partir de aquiacute al seguir subiendo IR tenslon se produce un alargamiento permanente La dificultad peacutena determinar los dos liacutemites anteriores hace que no sean reportados frecuen temente en pruebas de los materiales
115 Moacutedulo de elasticidad a la tensioacuten (E) para la parte del diagrama esfuerzo-deformacioacuten que es recta el esfuerzo es proporcional a la deformacioacuten y el valor de E es la constante de proporcionalidad El moacutedulo de elasticidad indica la rigidez del material o su resistencia a la deformacioacuten
116 Ductilidad Indica cuanto se puede deformar un material al aplicar una fuerza (a mayor deformacioacuten mayor es la ductilidad del material) La ductilidad es la cantidad de deformacioacuten plaacutestica en el punto de ruptura y es expresada como elongacioacuten o alargamiento o medida como la reduccioacuten de aacuterea en el punto de ruptura (restriccioacuten)
( j ) L LoElongacioacuten s In 111 ---- (31) Lo
donde Lo la longitud inicial L la longitud final
Reduccioacuten de aacuterr-a (RA) expresada en porcentaje Ao A
RA =--- x lOO (32)Ao
donde Ao aacuterea de la seccioacuten transversal original A aacuterea de la seccioacuten transversal final
A mayor ductilidad mayor deformacioacuten en la parte sin fallar y mayor habilidad para resistir cargas de impactos La medida de la ductilidad es importante porque muestra la propiedad que tiene el material para absorber sobrecargas y ademaacutes mide la capacidad de un material para ser trabajado en friacuteo (doblarse estirarse y conformarse)
117 Dureza es la resistencia de un material eacutel la penetracioacuten
90
y deformacioacuten permanente por una herramicntn 8guda o con punt8 (Figura 19) No existe una uacutenica medida de dureza y tampoco un ensayo universal aplicable eacutel todos los materiales Existen actualmcnte varios tipos de ensnyo
bull Resistencia a la indentacioacuten
bull Energiacutea absorbida bajo impacto
bull Resistencia al rayado
bull Resistencia a la abrasioacuten
bull Resistencia al corte o al taladro
Todas estas medidas son funcioacuten de las fuerzas atoacutem icas La dureza a pesar que no puede usarse dircctamente en caacutelculos de disentildeo sirve ademaacutes para control de calidad disel10 (indirectamente) desnrrollo de aleaciones y seleccioacuten de materiales
Dureza Brinell (He) Estandnrizado seguacuten In norma ASTM- El O Es un ensayo por identacioacuten estaacutetica con limi taciones
No puede determinarse en materiales muy duros No puede utilizarse en secciones delgadas (cuchillas de afei tar) No se utiliza en capas endurecidas debido a
Indentacioacuten es mayor que las capas El nuacutecleo cede e invalida la medicioacuten Puede producir grietas que conducen a fatiga
Procedimiento Superficie de muestra bien pulida Carga se aplica con una bola de acero templado Para materiales duros se utiliza una de carboloy (carburo de tungsteno) Se aplica 15s para ferrosos y 30s para no ferrosos Espesor de la muestra miacutenimo 10 veces la profundidad de iden tacioacuten
91
Carga
~O Bola de acera
-Po Indentacioacuten
Especime~-----r~~L1~~ ~L0l Prueba de dure7a Brinell
Prueba de dureza Rockwell
caiexclgapiramide de
lplusmnJ diamante
P1atafO~~ampZ imen P~ueba de dureza Vickers
Figura 19Esquema de dispositivos para la medida de la dureza
Por definicioacuten la dureza Brinell es la presioacuten por unidad de aacuterea de la indentacioacuten que permanece luego de la carga ser removida H = en la bola 2P
(33) B Area de indentacioacuten
Carga
O
bola
Este ensayo no es recomendable para materiales con dureza superior a 630 Hn Cuando la profundidad de la iacutendentacioacuten se mide justo despueacutes de retirar la carga aplicada la dureza Brinell se obtiene de
p P en kg y t en m m (34)
Area indentada nDt
Este iacutendice sirve para tener una buena estimacioacuten de la resisten uacuteltima (Su) de un acero
92
Su Su
045 Hu (kpsi) 310 Hu (MPa)
(35)
Dureza tambieacuten
Rockwell (ASTM E-18) con carga estaacutetica dada es
Se mide en un ensayo maacutes raacutepido que el Brinell
se utilizan menos carga y huellrls maacutes pequei1as El vnlor de la dureza es un nuacutemero arbitrario que estaacute inversamente relacionado con la profundidad de la indentacioacuten El indentador puede ser una bola de acero o un cono de diamante Se usa una bola de acero de qiexcl = 116 de pulgada con cargas de 60 oacute 100 Y de 150 kg cuando se usa el cono de diaman te Un medidor simple indica directamente el nuacutemero de dureza
A B
Co no J30la de 1 J (J Cono
60 lOO
Carburos de cementrioacuten Capas cenHnladns
Aleaciacuteo1cs de cobre
Accros blandos
Aceros Fu
Dureza Vickers utiliza una maacutequina similar a la Brincll en la cual se hace una indentacioacuten y el valor de la dureza es determinado por la relacioacuten
P carga en kg
A A aacuterea de identaGIacuteoacuten en mm 2
El indentador es de diamante y tiene forma de piruacutemidc con base cuadrada con aacutengulos entre caras opuestas de 136 0
(Figura 19) Permite medir durezas en materiales duros (mayores de 620 H n valor limite de la escala Brinell) y se calcula como
18544P
d2
P variacutea entre 1 - 125kg d diagonal media a Angulo entre caras ( 136deg) 118 Resistencia de fluencia al cortante (Ssy) y resistencia uacuteltima al cortante (Sus) ambas resisten as son importantes propiedades de los materiales Desafort unadamen te ambos
93
factores son reportados muy aleatoriamente Ambos paraacutemetros pueden ser estimados como Ssy Sy 2 = 050 Sy y Sus 075Su (36)
119 Relacioacuten de Poisson (v) La experimentacioacuten demuestra que un materiacuteal sometido a una fuerza de tensioacuten pro~uce un alargamiento o deformacioacuten axial y un estrcchanllento o deformacioacuten lateral como se muestra en la Figura 20
F Forma Pi na I ------Jo
Deformacioacuten axial
Deformacioacuten la teral
Lo
=~o~hf ho
Relacioacuten de Poisson = v EQ
iexcl(lriexcl lIiI
11Iinl
iexcl-----shy
Figura 20Ilustracioacuten de la relacioacuten de Poisson (v) para un elemento en tensioacuten
1110 Moacutedulo de Elasticidad al cortante o angular o moacutedulo de rigidez(G) definida como la relacioacuten entre el esfuerzo corlan le y la deformacioacuten por cortante Junto con el moacutedulo de elasticidad (E) son iacutendices de la rigidez o resistencia a la deformacioacuten de los materiales
1111 Maquinabilidad referida a la material puede ser maquinado para
facilidad con que un alcanzar una buena
94
superficie de acabado con razonable vida de servicio Las tasas de produccioacuten son directamente afectadas por la maquinabilidad Es difiacutecil definir la medida de la propiedad relativa con la maquinabilidad entonces la maquina bilidad es usualmen te reportada en teacuterminos comparativos relacionando el desempeIacutelo de un dado material con uno estaacutendar
1112 Resistencia al impacto partes sujetas a cargas aplicadas repentinamente choques o valores requeridos para resistencia al impacto Una medida de la resistencia al impacto consiste en sujetar una muestra y golpearla raacutepidamente con una gran masa La pieza absorbe energiacutea del golpeador cuando ocurre la fractura y la cantidad de energiacutea absorbida es reportada como la resistencia al impacto
1113 Resistencia a la fatiga o resistencia bajo cargas repetidas (Si) materiales sometidos a la aplicacioacuten de cargas repetidas o a condiciones de esfuerzo que variacutean con el tiempo miles o millones de ciclos fallan debido al fenoacutemeno de la fati Los materiales se prueban bajo condiciones de cargas ciacuteclicas controladas para determinar su habilidad para resistir este tipo de cargas Los resultados se reportan corno resistencia a la fatiga y tema de intereacutes en la asignatura Mecanismos
1114 Propiedades fiacutesicas Se resaltan
La densidad definida como la masa por unidad de volumen de un material En el sistema SI (kg m 3 ) y en el sistema ingleacutes (lb pulg3 ) En algunas aplicaciones el peso especiacutefico o densidad especiacutefica es usada para indicar el peso por unidad de volumen del material Unidad tiacutepica (Nm3) en el SI y (lbpu1g3) en el sistema ingleacutes donde la libra es tornada como libras-fuerza El peso especiacutefico es designado con letra (y)
Coeficiente de expansioacuten o dila tacioacuten teacutermica (a) es una medida del cambio en longitud de un material debido al cambio de la temperatura Se define como la relacioacuten entre la deformacioacuten normal (E) y el cambio en temperatura (iT) Virtualmente todos los metales y plaacutesticos se expanden con el incremento de la temperatura pero los diferentes materiales se expanden a diferentes dos de temperatura Para maacutequinas y estructuras que contienen partes de maacutes de un material los diferentes rangos de temperatura pueden tener un significante efecto en el desempentildeo del montaje y sobre el esfuerzo producido
Conductividad teacutermica definida como la propiedad de un material que indica su habilidad para transferir calor Donde
95
los elementos de maacutequinas operan en ambiente caliente o donde un significante calor interno es generado la habilidad de estos elementos para transferir calor al ambiente puede afectar el desempentildeo de las maacutequinas Por ejemplo la reduccioacuten de velocidad de los engranajes de tornillo sinfin tiacutepicamente generan calor friccional debido al roce entre el gusano con la rueda o engrane del sinfin Si no hay una adecuada transferencia el calor causa que el lubricante pierda su efectividad causando un desgaste raacutepido de los engranajes
Resistencia eleacutectrica para elementos de maacutequinas que conducen electricidad mientras soportan cargas la resistividad eleacutectrica del material es tan importante como su resistencia La resistividad eleacutectrica es una medida de la resistencia ofrecida por un dado espesor de un material y es medido en ohmshycentiacutemetros (O-cm) La conductividad eleacutectrica es una medida de la capacidad de un material para conducir la corriente eleacutectrica y es a veces usada en vez de la resistivideacuteld Es generalmente reportada como un porcenteacutelje de la conductividad de un material de referencia
12 Sistema de numeracioacuten numeacuterica para el acero y el hierro
El sistema de numeracioacuten dispuesto por la Socicdeacuteld Americana de Ingenieros de automoacuteviles (SAE) y por el Instituto Americano para el Hierro y el Acero (AISI) ayuda a los ingenieros a especificar un acero particular La SAE fue la primera organizacioacuten teacutecnica que reconocioacute la necesidad de un meacutetodo de numeracioacuten numeacuterica para los aceros y establecioacute un sistema
El sistema basado en la composlclOn quiacutemica dcl materieacutell incluye cuatro diacutegitos Los dos primeros diacutegitos representan cl tipo de aleacioacuten y los dos uacuteltimos el contenido de carbono (OXX) por ejemplo un acero AISlo SAE 1010 es un acero al carbono simple con 010 de contenido de carbono (maacutes o menos un pequentildeo porcentaje de tolerancia) En algunos casos cUeacutelndo el contenido de carbono excede el 1 se usan tres diacutegitos La designacioacuten antigua AIsr 52100 corresponde a un acero al cromo con aproximadamente 100 centeacutesimos porcentuales de carbono
En el antildeo 1975 la SAE publicoacute el sistema numenco unificado para metales y aleacioacuten (UNS) que emplea un prefijo literal para designar el material G para el carbono y los aceros de aleacioacuten A para las aleaciones de aluminio e paw aleaciones basaacutendose en cobre y S para los aceros inoxidables Algunos materiales no tienen un sistema de designacioacuten numeacuterica por falta de consenso en la industria para su normalizacioacuten
96
La letra va seguida de un nuacutemero de dos cifras que establecen la codificacioacuten de la composicioacuten o procesamiento por ejemplo en el acero
GI0 Acero al carbono simple
G 11 Acero carbono con azufre o foacutesforo
G 13 Acero al manganeso
G23 Acero al niacutequel
G25 Acero al niacutequel
G31 Acero al niacutequel-cromo
G33 Acero al niacutequel-cromo
G40 Acero al molibdeno
G41 Acero al cromo-molibdeno
G43 Acero al niacutequel-cromo-molibdeno
G46 Acero niacutequel-molibdeno
G48 Acero niquel molibdeno
G50 Acero al cromo
G51 Acero al cromo
G52 Acero al cromo-vanadio
G86 Acero al cromo-niacutequel-molibdeno
G87 Acero al niacutequel molibdeno
G92 Acero al manganeso-silicio
G94 Acero al niacutequel
En el caso de los aceros la designacioacuten se completa con un nuacutemero generalmente de tres cifras que indican d tanto por ciento de contenido en carbono en centeacutesimas Por ejemplo el material G 10450 es un acero al carbono simple con un 045 Ylt) de carbono
En la Tabla 31 Se describen algunas propiedades de los aceros con tratamIento teacutermico
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TABLA 31 Propiedades de algunos aceros con tratamiento teacutermicos HR rolados en caliente eD estirados en friacuteo
1~SISTENCl IFSISTENCIA iexclmiddotLONGiION
UNS NUacuteM SA~
ASIS
YO
NO
iexcl ULTlMi (Su) MP
(kpsiacute)
DE FLUlNCIiexcl (Sy) MP
(kpsl)
N
2 In o
111) lCC I () N rN AFI l~
i) UiexclZA IlRINiexcl~LL
G 10 SS s(
G10100 1010 HR 320(47) IRO (2() 2R SO 9S
Cl) 170(S1) 300 (1 4 ) 20 40 lOS
Gl0150 1015 HR 340 (SO) 190 (275) 21 50 10 I
CD 390 (S() 320 (47) 18 JO 1 i I
G10l80 1018 I Irlt 400 (S8) 220 (J2) 2S SO 116
en 440 (M) 170 [S4) 15 40 126
G10200 1020 HR 310 (SS) 210 (lO) 2 so iexcl 11
cn 470 ((iR) 390 (S7) 15 lO DI
G10300 1030 HR 470 (68) 2(0 (J75) 20 42 137
eD 520 (76) 40 (64) 12 35 149
G10350 1035 HR 500 [72) 270 (395) I H 40 H3
CD 550 (RO) 460 (671 iexcl 2 35 163
G10400 1040 HR 520 [76) 290 (42) IR 40 ll9
el) 590 (85) 490 (71 ) 12 3 170
GI0450 1045 1m 570 (82) 3010(45) 16 JO 163
eD 610 (JI) 5lO 177) 12 1 17Q
G10S00 lOSO iexcl 620 (JO) 34() (4lt)5) 1 S 1S 179
eD (iexcl90 (lOO) iexcl80 (14) lO 10 197
G10600 iOfJO -JIlt 680 (98) 370 (S4) 12 30 201
010800 1080 ffR 770(112) 420 (61S) lO 2gt 22lt)
010950 10lt)S HR 80 (l20) 1 iexclO ((6) la 2 24H =~-=-=~---==~_=---=-~-_-__ --~=-------==__=--==--~o===-~-_==-===_==gte--=~=~-=o~===-=--=~-=====_=__===
Fuente 1986 SAE Handbook p 215
En el caso de las aleaciones de aluminio el primer nuacutemero indica el tipo de procesamiento que ha adquirido o el tipo de aleacioacuten y el segundo diacutegito indica el grupo de aleacioacuten principal AO Aleacioacuten fundida A9 Aluminio forjado
Los dos uacuteltimos describen la aleacioacuten especiacutefica o indican los liacutemites de pureza de aleacioacuten
Axl Aluminio con pureza de 9900 (Yo
Ax2 Aluminio aleado con cobre
Ax3 Aluminio aleado con manganeso
98
- --
Ax4 Aluminio aleado con silicio
Ax5 Aluminio aleado con magnesIO
Ax6 Aluminio aleado con magnesio y silicio
Ax7 Aluminio aleado con zinc
13 Propiedades mecaacutenicas de algunos materiales
Las propiedades mecaacutenicas variacutean en gran medida con la composicioacuten forma de obtencioacuten y tratamiento posterior de cada material Las resistencias indicadas en las tablas son orientativas en el proceso de disel10 Siempre habraacute que remitirse a las especificaciones de compra de los mismos En la tabla 32 se presentan a1gunas propiedades de los elaacutesticos termoestab1es
TABLA 33 Propiedades de los plaacutesticos Lermoestables
Liacutemite de rotura Su
(MpaJ
5-8
5-20
5-9
5-6
ncia al calor
Buena
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
Excelente
14 Ensayo de ma teriales
Mediante el ensayo de materiales o bien se verifican determinadas propiedades de estos o bien se determina su composicioacuten quiacutemica para deduciacuter de ella puntos de referencia respecto a su pureza resistencia a la corrosioacuten y trabajabilidad De todo ello pueden deducirse orientaciones para el mejor empleo de los materiales Mediante procedimientos especiales puede determinarse si existen defectos (grietas inclusiones de escoria cavidades etc) y en queacute sitio estaacuten Una misIoacuten importante del ensayo de materiales consiste en determinar la causa de una rotura o una deformacioacuten no deseada de una pIeza durante el funcionamiento Las condiciones de la
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Resistencia quiacutemica
Aceptable
Excelente
Excelente
Excelentc
Buena
Excelente
Dureza rockwell
-~~ ~ ----__shy99M
lOi-J20M
110 120M
80middot 120M
70CJSiexcl
80-90M
verificacioacuten o ensayo estaacuten ampliamente especificadas por IHS
normas ISO o DIN
Pruebas en el taller mediante sencillos procedimientos de verificacioacuten se posibilita conocer la clase de material que se tiene y sus propiedades asiacute como formar juicio sobre su comportamiento al ser trabajado Con estos no se obtienen resultados numeacutericos exactos sino uacutenicamente indicaciacuteones sobre determinadas propiedades
Ensayo de chispa el color y la forma de las ch ispas procl ucidas por un acero al ser esmerilado puede indicar la clase y composicioacuten de ese material Aunque no se obtienen datos exactos sobre la composicioacuten del acero si se puede deducir en esta prueba para evitar errores groseros su aplicacioacuten y sobre todo su tratamiento teacutermico Existen tablas de colores parn la prueba de chispa
Ensayo de rotura la superficie de rotura da indicaciones sobre su clase composicioacuten y sobre todo su tratamiento previo y teacutermico En el caso del acero el granulado grueso indica en general que se trata de un material de poca resistenciacutea y dureza El grano fino indica alta resistencia y dureza El juicio que se emite uacutenicamente basado en la superficie de rotura es poco seguro En el caso de piezas templadas que se hayan roto es posible con buena exactitud determinar si la rotura ha sido sobrecarga (rotura sana) un enfriamiento demasiado brusco (grieta debida al temple) o un calentamiento demasiado alto (grano muy basto)
Ensayos mecaacutenico la mayoriacutea de estos ensayos se realizan en la sala de verificacioacuten de un taller y son los ensayos con soliciacutetacioacuten progresiva o con solicitacioacuten brusca ensayo ele traccioacuten ensayo de compresioacuten ensayo de corte o de cortadura (se determina la resistencia al esfuerzo cortante de materiales metaacutelicos) ensayo de plegado (sirve para la verificacioacuten de la facilidad de doblado de un material a temperatura ambiente) el ensayo de flexioacuten al choque en pieza entallada (se veacuterifica la tenacidad del acero y de la fundicioacuten de acero) ensayo de chapas ( para juzgar si son apropiadas para la embuticioacuten y el doblado) ensayos de fa y ensayos de dureza
Ensayo quiacutemico la investigacioacuten quiacutemica de un ma tcrial da u na idea exacta sobre su composicioacuten esto es clase y cantidad de los componentes de la aleacioacuten Debe realizarse en el laboratorio con personal teacutecnico preparado
100
Anaacutelisis espcctrograacutefico consiste en provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta Los rayos luminosos radiados con ello se descom ponen mediante un prisma de cristal y basaacutendose en el espectro ( banda luminosa) asiacute producido puede conocerse la composicioacuten del material El procedi miento no da datos exactos sobre la composicioacuten porcentual de la aleacioacuten como los que da el anaacutelisis quiacutemico pero la exactitud obtenida es suricientc y el tiempo tan corto utilizado en el ensayo le da ventaja comparativa
Ensayo sin destruccioacuten de la pieza Este ensayo sirve para la determinacioacuten de defectos en el material (sopladuras grietas etc) Para este ensayo se emplean campo de fuerza magneacuteticos eleacutectricos ondulaciones supersoacutenicas asiacute como rayos X Los rayos Roentgen o rayos X penetran a traveacutes de la mayoriacutea de los materiales Seguacuten sea la resistencia que encuentren en su camino a traveacutes de la pieza ennegrecen maacutes o menos intensamente una peliacutecula dispuesta de aquella o dan sobre una pantalla una imagen sombreada que por medio de un amplificador y un dispositivo oacuteptico adecuado puede hacerse bien visible Las cavidades burbujas gaseosas o tas sc hacen visibles por la menor densidad del material mediante un mayor ennegrecimiento de la peliacutecula o mediante la presencia de sitios claros sobre la pantalla
Diversos elementos como el radio y muchos isoacutetopos como el cobalto 60 o el iridio 192 emiten rayos invisibles Una parte ele estos rayos son los llamados rayos gamma que se emplean para el ensayo de materi sin destruccioacuten de la pieza Estos rayos atraviesan por ejemplo la fundicioacuten de acero hasta de 200 mm de espesor
15 Corrosioacuten y proteccioacuten anticorrosiva
Las normas definen la corrosioacuten como la destruccioacuten de los materiales a consecuencia de procesos y reacciones quiacutemicas o electroquiacutemicas con el medio que los rodea Lo anterior indica que la corrosioacuten no soacutelo se da en metales sino en cualquier otro material Este proceso es acelerado por el oxiacutegeno el agua los productos quiacutemicos o bioloacutegicos la temperatura y el cambio en la composicioacuten fiacutesico-quiacutemica del materiaL Por otra parte la inten ad de la corrosioacuten depende notablemente de la c1ltlse de medio que rodea el material por lo tanto depende de que el aire sea maacutes o menos huacutemedo (corrosioacuten atmosfeacuterica) de que este rodeado el material por agua de mar por aacutecidos por lejiacutea ctc
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El costo an ual y los dantildeos y gastos producidos por la corrosioacuten son muy altos por lo tanto se hacen ndes esfuerzos para evitar la corrosioacuten o al menos por mantenerla dentro de liacutemites soportables y maacutes cuando se trata de materiales metaacutelicos Si antildeadimos a ese costo el valor del tiempo improductivo originado en los paros obligatorios de la produccioacuten mientras se realizan trabajos de reparaClOn y pintura se tendr~l una suma exorbitante de dinero gastado en la lucha contra la corrosioacuten Pero aunque la corrosioacuten es inevitable su accioacuten destructiva puede reducirse considerablemente escogiendo los mcgttalcs y aleaciones maacutes apropiados para el ambiente y condiciones que deben soportar disei1ando de un modo adecuado los objetos y sobre todo con un buen programa de proteccioacuten Para la escogencia de un sistema apropiado de proteccioacuten es necesario conocer
El fenoacutemeno de corrosioacuten y la forma como se presenta Los agentes corrosivos y su agresividad Las normas baacutesicas del disel10 de los objetos o piezas para la proteccioacuten anticorrosiva Las pinturas sus propiedades preparacioacuten de superficiegt usos y aplicacioacuten Las normas de seguridad para el manejo aplicacioacuten y almacenamiento de pinturas
151 Clases de corrosioacuten en los metales
Corrosioacuten quiacutemica muchos materiales pueden ser alterados desde la superficie por ataques quiacutemicos En estas reacciones juegan un papel importante el oxiacutegeno y con eacutel la oxidacioacuten En estos procesos ejercen su actividad quiacutemica no solamente los liacutequidos (hum d aacutecidos soluciones salinas etc) incluso tambieacuten los gases y vapores Las altas temperaturas contribuyen a acelerar el proceso de corrosioacuten Si con la oxidacioacuten se forma una densa y consistente como pasa con el cobre y el aluminio esa capa actuacutea como proteccioacuten contra el progreso de la corrosioacuten Por el contrario si en la corrosioacuten quiacutemica se produce una capa suelta y porosa como el herrumbre y el oriacuten no se obtiacuteenc con ella proteccioacuten alguna Un metal es tanto maacutes noble cuanto menos susceptible sea de descomposicioacuten quiacutemica como lo son el oro el platino y la plata
Corrosioacuten electroquiacutemica para que se produzca tiene que existir un liquido conductor de la electricidad u n electroacutelito y dos metales distintos Ejemplos de electroacutelitos son el agua la humedad de la atmoacutesfera o el sudor de las manos En el caso de
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corroslOn electroquiacutemica se producen ideacutenticos procesos que los que tienen lugar en un elemento galvaacutenico En la corrosioacuten electroquiacutemica se distinguen la corrosioacuten de contacto la corrosioacuten intercristaliacutena la corrosioacuten transcristalina y la corrosioacuten con tensioacuten mec8nica y formacioacuten de grietas superficiales
Corrosioacuten de con tacto si los distintos metales sin capa aislada intermedia se ponen en contacto con un electroacutelito queda constituido un elemento de corrosioacuten donde el metal menos noble resulta destruido Ejemplo entre el carbono y el cine en cubiertas de cine que estaacuten proacuteximas a instalaciones en que haya fuerte produccioacuten de holliacuten es el caso de la mayoriacutea de las faacutebricas Los depoacutesitos de holliacuten constituyen el polo positivo y el carbono se comporta clectroquiacutemicamente como un metal
La corrosioacuten intcrcristalina o corrosioacuten entre cristales metaacutelicos se presenta cuando se antildeade humedad al formarse corriente entre los cristales como ocurre en un elemento galvaacutenico Los cristales de polaridad negativa son corroiacutedos con lo que se destruye la estructura
La corrosioacuten transcristalina o corrosioacuten dentro de los mIsmos cristales se da cuando existen grietas que pasan por el interior de los cristales de un material que pueden producir en caso de solicitaciones alternadas tensiones eleacutectricas entre las partes de cada cristal Esto conduce a la corrosioacuten dentro de los cristales afectados y es tiacutepico en los aceros au sten iexclticos
Corrosioacuten con formacioacuten de grietas existiendo tensioacuten mecaacutenica La corrosioacuten puede conducir a la formacioacuten de pequeuacuteas grietas superficiales y si simultaacuteneamente se presentan solicitaciones mecaacutenicas del tipo alternas esas grietas actuacutean como entalladuras con un elevado peligro de rotura 152 Resistencia a la corrosioacuten de los principales ma tcrialcs metaacutelicos
El acero sin alear es poco resiste11te a la corrOSlO11 Esta constituido por cristales de diferen tes clases que en la escalD de tensiones se hallan muy distantes entre siacute
El acero aleado presenta menores tensiones eleacutectricas intercristalinas y por esto es maacutes resistente a la corrosioacuten que los aceros sin alear
El acero inoxidable estaacute aleado de tal modo que sus cristales o son uniformes o estaacuten muy juntos a otros en la escala de
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tensiones Como el nombre 10 indica los aceros inoxidables son maacutes resistentes a la corrosioacuten y a la oxidacioacuten que los aceros simples al carbono y los de mEacuteIS baja aleacioacuten Esta superior resistencia a la corrosioacuten es obtenida de la adicioacuten de cromo en porcentajes de 105( o superiores La capacidad protectora de las peliacuteculas de oacutexido de cromo puede ser mejorada por incrementos maacutes altos de cromo y la adicioacuten de niacutequel molibdeno y otros elementos alean tes Los aceros inoxidables resisten a la corrosioacuten en un amplio rango de condiciones pero ellos no son inmunes a todos los medios Los tipos maacutes probable de a taques son picado (ocu rre cu ando la ca pa protectora se rom pe en pequentildeas aacutereas aisladas tal como cuando iones de cloro o sales oxidantes contactan la superficie) la corrosioacuten por hendedura ( resulta de diferencias locales en la concentracioacuten de oxiacutegeno asociadas con depoacutesito en la superficie del metal empaquetaduras traslape en juntas o hendeduras debajo de las cabezas de pernos o remaches donde pequentildeas cantidades del liacutequido pueden ser colectadas y permanecer estancadas) y corrosioacuten bajo tensioacuten definida como la accioacuten combinada de esfuerzos estaacuteticos y la corrOSlOn accioacuten que conduce al agrietamiento o fragilidad de un metal Soacutelo esfuerzos de tensioacuten causan este tipo de falla Praacutecticamente todos los metales y aleaciones (excepto los metales de alta pureza) estaacuten Stljetos a corrosioacuten bajo tensioacuten en ciertos medios Los aceros inoxidables han sido ampliamente usados a temperaturas elevadas por tanto existe muy buena informacioacuten acerca de su comportamiento ante la corrosioacuten
El hierro fundido contiene carbono en [onneacute1 de grafito y estaacute por esto maacutes expuesto a la corroslOn iacutentercristaJina La superficie sin trabajar es maacutes resistente que las trabajadas a causa de la costra de fundicioacuten que contiene menos grafito
El cobre especialmente el cobre electroliacutetico tiene cristales uniformes y es muy resistente Cuando estaacute expuesto al aire se recubre de una capa protectora insoluble al agua conocida como peacute1tina o cobre carboacutenico El cobre puede ser atacado por el aacutecido sulfuacuterico el aacutecido sulfuroso y los cloruros pues impiden la formacioacuten de esa capa protectora Adiciones de cobre de 025(10 son utilizadas en los aceros al carbono para mejorar su resistencia a la corrosioacuten a la intemperie Adiciones hasta de 4(
se utilizan para mejorar la resistencia mecaacutenica y la resistencia a la corrosioacuten
Las aleaciones cobre-cinc son menos resisten tes a la corrosioacuten que el cobre
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El aluminio puro se recubre muy raacutepidamente con una capa densa de oacutexido de aluminio presentando una muy buena resistencia a la corrosioacuten Las aleaciones de aluminio son poco resistentes a la corrosioacuten especialmente cuando contienen cobre Las aleaciones de magnesio son faacutecilmente susceptibles a la corrosioacuten y poco resistentes a las acciones quiacutemicas
153 Proteccioacuten anticorrosiva de los metales
La vida y la seguridad de funcionamiento de las pJCzas y elementos constructivos depcnden frecuentemente del grado en que se puedan evitar los procesos de corrosioacuten Todos los procedimientos de proteccioacuten anticorrosivo tienden o bien evitar la formacioacuten de elementos galvaacutenicos o bien n impedir el ataque de sustancias que descompongan quiacutemicamente los matcriales de construccioacuten
PROTICClON ANTICORROSlVA
Recubrirll1ento no Planeamlento d~ proterclnReolbrlmlentos metaacutelicos Atmoacutesfera de gas pntedor metaacutelico anticormS123
]rmers5n de bantildeo papeles cen upaAceltadJ yengrasI10 fundiacute do glt~t~e0a pf(ite~tora
[
Pintado laeal Galvanmdo Gas rrote(tor
Recubnmiacuteerto de ul~Tenzacioacuten de metal matelial slnt~tiGo
iexclsmaltado Difusioacuten
Fecubnnuento UumlHencloacuten quiacuteml~a
Figura 21 Procedimientos de proteccioacuten anticorrosiva
154 Recubrimientos no metaacutelicos los recubrimientos no metaacutelicos impiden el contacto de la superficie ele las piezas con los agentes que pudieran atacarlas
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Aceitado y engrasado muchas piezas de acero y de hierro lienen que permanecer brillantes con vistas a su utilizacioacuten (aparatos de medicioacuten superficies de deslizamiento roscas pernos etc) Estas piezas se protegen contra la oxidacioacuten mediante aceitado o engrasado Los aceites y las grasas tienen que estar exentos de aacutecido no deben atacar al metal Antes del engrase tienen que estar las piezas metaacutelicamente limpias Se emplean aceIacuteles minerales o grasa mineral (vaselina) Los metales ligeros tambieacuten pueden protegerse durante su almacenaje mediante aceitado o engrasado
Pinturas se entiende por pintura una aplicacioacuten uniformemente distribuida de materiales colorantes sobre un fondo al cunl quedan adheridos despueacutes de secarse Entre los materiales empleados cabe distinguir principalmente las pinturas al aceite los barnices al aceite y los barnices de resinas sinteacuteticas
Las pinturas pueden seguacuten el objeto o aplicacioacuten y la ca iexclidad exigida estar constituidas por una o por vanas capas Se distingue entre la pintura de fondo y la de cubrimiento pudiendo ser ambas de varias capas Es misioacuten de la pintura de fondo constituir un elemento de enlace entre la superficieshybase que se trata de proteger y las demaacutes capas que se vayan aplicando Esa capa de fondo tiene que comportarse como quiacutemicamen te neutra respecto a la pieza debe adherirse a ella bien y constituir para las demaacutes capas un buen fondo adhesivo La capa de cubrimiento toma a su cargo la proteccioacuten de las capas que se hallan debajo Tiene que ser tan impermeable al agua como sea posible resistente a la luz dura pero al mismo tiempo elaacutestica y en circunstancias resistente al calor y ofrecer buen aspecto
De la preparacioacuten de la superficie de la piacuteeza depende de modo esencial1a calidad de la pintura Antes de proceder a aplicar la pintura hay que eliminar cuidadosamente de las superficies todo oacutexido o capas corroiacutedas o de suciedad que pudieran existir Para la preparacioacuten mecaacutenica se emplean cepillos de acero o como medio especialmente eficaz el chorro de arena Se emplea arena seca o pequentildeas bolas de acero que se lanzan mediante aire a presioacuten contra la superficie de la pieza
A los medios quiacutemicos para tratamiento previo de las superficies pertenecen entre otros el decapado y el desengrasado El decapado con aacutecidos diluidos sirve para eliminar capas de cubrimiento o para rascado de fondo con objeto de conseguir una mejor adherencia de la pintura
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Si se qUlere que el recubrimiento se adhiera de modo especialmente bueno hay que desengrasar bien las superficies a proteger Dentro de ciertos liacutemites los llamados Wash-Primer colores de fondo adhesivos para metales actuacutean en el sentido de inhibir la corrosioacuten Los Primer son combinaciones de cromatos resinas sinteacuteticas y aacutecidos de foacutesforo que en virtud de una transformacioacuten quiacutemica actuacutean sobre el fondo (la superficie de la pieza) como coartadores de la corrosioacuten Se aplican en capas muy finas y sirven como capa de fondo o de base para elevar la proteccioacuten anticorrosiva y el poder adherente las demaacutes capas
Cuando se emplean pinturas al aceite la auteacutentica proteccioacuten antioacutexido estaacute constituida por un recubrimiento de fondo con minio u oacutexido de plomo Pb304 mezclado con aceite de linaza Las pinturas al aceite son flexibles pero no muy duras Si se trata de pinturas de barniz lo que se hace es dar una capa de base con barniz Si se desean superficies muy lisas puede darse a continuacioacuten y para nivelar las pequentildeas irregularidades un emplastecido y despueacutes pasar papel de esmeril yagua Soacutelo despueacutes de esto se aplica la verdadera capa de barniz
Los barnices constan de las llamadas lacas que como componente no volaacutetil quedan sobre la pieza despueacutes del secado a modo de capa o peliacutecula de barniz y del solvente volaacutetil que mantiene en disolucioacuten a las lacas antes de aplicarse el barn sobre la pieza y durante la aplicacioacuten Como procedimientos de aplicacioacuten de pinturas se emplean el de pulverizacioacuten el de brocha el de laqueado con pistola y campo eleacutectrico el de inmersioacuten y otros
El procedimiento de pulverizacioacuten sumllllstra un recubrimiento uniforme y ocupa poco tiempo Para ello se emplean pistolas de pulverizar
Se distingue entre pulverizado en friacuteo y pulverizado en caliente En el laqueado por pulverizacioacuten y campo eleacutectrico el barniz finamente pulverizado es atraiacutedo por la plcza metaacutelica por medio de un intenso campo eleacutectrico La ventaja este procedimiento radica en la econoacutemica y uniforme aplicacioacuten de la capa incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles de la pieza
En el laqueado por inmersioacuten y campo eleacutectrico (procedimiento electroacuteforo) se sumerge la pieza en un ballo de pintura
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Mediante aplicacioacuten de una tensioacuten se obtiene igualmente una aplicacioacuten econoacutemica y uniforme incluso en los sitios difiacutecilmente accesibles Recubrimientos de material sinteacutetico los recubrimientos de material sin teacutetico protegen con tra la corrOSlOn y aisla n eleacutectricamente La aplicacioacuten se realiza mediante pulverizacioacuten por llama mediante sintetizado por remolinado o electrostaacuteticam ente
Esmaltado la masa de esmalte consta de polvo de vidrio y sustancias colorantes Se lleva esta masa sobre la superficie de la pieza por pulverizacioacuten o por inmersioacuten y se somete en el horno de esmaltar a temperaturas entre los 600 y los 1000C
Recubrimiento obtenido quiacutemicamente sobre los metales ligeros Procedimiento Eloxal (el nombre hace referencia a las palabras aluminio oxidado eleacutectricamente en otro orden diferente al castellano) En la eloxalizacioacuten se disponen una pieza de aluminio o de una aleacioacuten de aluminio como polo positivo (aacutenodo) y una placa de plomo negativo (caacutetodo) en un bai10 con aacutecido sulfuacuterico como electroacutelito si pasa durante alguacuten tiempo corriente continua por el dispositivo se forma sobre la pieza (aacutenodo) en virtud del oxiacutegeno que se libera una capa de oacutexido que es la capa de eloxal Este procedimiento se llama tambieacuten de oxidacioacuten anoacutedica
155 Recubrimientos metaacutelicos para obtener una buena proteccioacuten contra la corrosioacuten mediacutean te recu brimicn los metaacutelicos es importante conocer el comportamiento electroquiacutemico del metal de proteccioacuten respecto al metal de base Si en un recubrimiento de cinc sobre acero se deteriora el recubrimiento y existe ademaacutes humedad el cinc es de polaridad negativa respecto al metal de base
En un recubrimiento de niacutequel sobre acero el niacutequel es electroquiacutemicamente maacutes noble que el metal de base es decir positivo Al deteriorarse el recubrimiento resultaraacute por ello atacado el metal de base La corrosioacuten prosigue por debajo del metal de recu briacutemiento hasta que la oxidacioacuten producida hace con su gran volumen que se desprenda la capa ele niacutequel Los principales procedimientos de aplicacioacuten de metales son la inmerSlOn en metal fundido (llamado procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido o procedimiento de metalizado al fuego) el metalizado galvaacutenico el pulverizado del metal liacutequido con pistola el procedimiento de difusioacuten y el chapeado o chapado
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Procedimiento de inmersioacuten en bantildeo fundido Las piezas se limpian y se desengrasan primero cuidadosa men te en un bauumlo aacutecido A continuacioacuten se sumergen en metal fundido (por ejemplo estantildeo o cinc) que se adhiere a la superficie de la pieza en forma de capa delgada
Metalizado galvaacutenico Las piezas se sumergen por ejemplo en el cobreado en una solucioacuten de sulfato de cobre (CuSOiexclj yagua y se conectan al caacutetodo (polo negativo) de un manantial de corriente continua El aacutenodo (polo positivo) se une a una placa de cobre Por la accioacuten de la corriente eleacutectrica pasan los iones Cu al electrodo negativo (cil todo) y forman alliacute un recu brimiento El grupo aacutecido 804 va simu1tilneamente contra la corriente y ocasiona la disolucioacuten de maacutes aacutetomos C u de la placa de cobre De modo anuacutelogo se pueden producir sobre piezas metaacutelicas recubrimientos de niacutequel cromo cadmio cinc plata y oro Corno aacutenodo se emplea siempre una placa del metal protector y corno electroacutelito la disolucioacuten acuosa de una sal de este metal Pulverizado de metal El metal de recubrimiento en forma de alambre se aporta a una pistola de metalizar (de pulverizar) y se licua mediante una llama de gas o por viacutea eleacutectrica Se pueden emplear los metales de recubrimiento maacutes variados como por ejemplo cinc aluminio acero aleado Procedimiento de difusioacuten (por ejemplo cromado) Este procedimiento se basa en la mezcla automaacutetica superficial de gases o metales provocada por el movimiento que confiere el calor a las moleacuteculas (difusioacuten mezcla iacutentima extendieacutendose una sustancia en la otra)
En el cromado se enriquece se satura con cromo la superficie exterior de piezas de acero Con este objeto se calientan las piezas en caacutemaras cerradas en las cuales fe vaporizan a unos 1000degC sales de cromo (generalmente cloruros) Con esto penetra el CrOlTlO en la superficie de las piezas y forma una excclente proteccioacuten anticorrosiva Con el cromado se forma una zona parecida en su estructura a la del acero anticorrosibe en esta capa el contenido de cromo disminuye hacia el interior Los miexcls adecuados para este tratamiento son los aceros COIl
bajo contenido de C y los aceros con titanio
156 Atmoacutesfera gaseosa protectora los papeles con capa gaseosa protectora se emplean para proteger contra la corrosioacuten en el transporte en el almacenaje y como capa intermedia durante la fabricacioacuten de piezas metaacutelicas Los papeles van impregnados con su bstancias quiacutemicas que desprenden continuamente gases estos gases forman ulla envolvente gaseosa protectora
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La eficacia de estos papeles es muy duradera Se prestan sobre todo para proteccioacuten de acero y hierro fundido y tambieacuten de metales no feacuterreos tales como el aluminio y c1latoacuten
El empleo de una atmoacutesfera gaseosa protectora es cada vez maacutes frecuente para fabricar y trabajar materiales con objeto de evitar su oxidacioacuten Este es el caso por ejemplo del sin terizado Planeamientu de una proteccioacuten anLIacutecorrosiva el constructor tiene ya una considerable influencia sobre la proteccioacuten anticorrosiva Eacutel puede elevar la seguridad contra la corrosioacuten mediante construccioacuten correcta a efectos de proteccioacuten anticorrosiva mediante empleo de materiales resistentes eacutel In corrosioacuten y mediante un acabado favorecedor de la proteccioacuten anticorrosiva Asiacute por ejemplo deberaacute poderse evacuar por siacute solo de las cavidades o espacios huecos o vaciacuteos un eventual electroacutelito que pudiera formarse (agua de condensacioacuten) Tambieacuten careceriacutea de sentido el empleo de u 11 material resistente a la corrosioacuten y simultaacuteneamente disminuir por otro lado la proteccioacuten anticorrosiva mediante un acabado teacutecnicamente desfavorable en la soldadura
PROBLEMAS
1 Si un material tiene una resistencia a la fluencia Sy 30000 psi cual es su dureza
2 Compare la dureza Rockwell C30 con la dureza BrinclL
3 Defina la resistencia uacuteltima a la tensioacuten
4 Defina punto de fluencia
5 Defina la resistencia a la fluencia y describa como es medida
6 Queacute tipo de materiales tienen punto de fluencia
7 iquestCuaacutel es la diferencia entre el liacutemite de proporcionalidiexcld y el liacutemite elaacutestico
8 Defina la ley de Hooke
9 Que propiedad de un material es una medida de su rigidez
lOQueacute propiedad de un material es una medida de su ductilidad
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l1Defina relacioacuten de Poisson
12Si un material tiene a tensioacuten un moacutedulo de elasticidad de 114 GPa y una relacioacuten de Posisson de 033 cual es el moacutedulo de elasticidad a cortante
13Un material tiene una dureza Brinell de 525 Cuaacutel es su dureza aproximada en la escala C Rockwell
14Pruebas de laboratorio dan a un acero una dureza Brillncll de 450 Cual es aproximadamente su resistencia a la tensioacuten
15Describa dos pruebas usadas para medir la rcsistenciH al impacto
16Cuaacuteles son los principales constituyentes de un acero
17Cuales son los principales elementos de aleacioacuten del acero AISI4340
1BNombre cuatro materiales comUacutellmente usados para ejes
19iquestQueacute tipos de aceros inoxidables son no magneacuteticos
20Cual es el principal elemento de aleacioacuten que da el acero inoxidable resistencia a la corrosioacuten
21Describa tres tipos de fundicioacuten
22Describa tres tipos de usos de las aleaciones de titanio
23Cual es el principal constituyente del bronce
24Nombre dos usos del bronce en el disct10 de maqumarIa agriacutecola
25Describa las diferencias entre los plaacutesticos con endurecimiento por calor y los termoplaacutesticos
26Sugiera un material plaacutestico para cada u no de los sigu ientes usos
Engranajes Cojinetes Tubos Ruedas Ejes
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27Nombre ocho factores sobre las cuales el proyectista tiene control cuando especiacutefica un material compuesto
28Defina el teacutermino compuesto
29Nombre cuatro reSll1as base usadas para materiales compuestos
30Nombre cuatro tipos de fibras de refuerzo usados para materiales compuestos
IUNIV[Il~[Jiexcl) liACt)AL it~ COU)M81A -----middotmiddot~tll MFIUI~
DFTO 01 UHlLlOTECAS lHaLIO rECA EFE GOMEZ 112
