estructuras i

Tecnolgico Universidad de Los Lagos Clase3, Estructuras I

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UNIDAD II. PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES

En ingeniera, las propiedades mecnicas de los materiales son las caractersticas inherentes,

que permiten diferenciar un material de otro. Tambin hay que tener en cuenta el

comportamiento que puede tener un material en los diferentes procesos de mecanizacin que

pueda tener.

1) DEFORMACIN:

La resistencia del material no es el nico parmetro que debe utilizarse al disear o analizar

una estructura, controlar las deformaciones, tiene la misma o mayor importancia. El anlisis

de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las

cargas aplicadas.

Una barra sometida a una carga axial de traccin aumentar su longitud inicial, se puede

observar que bajo la misma carga pero con una longitud mayor, este aumento o alargamiento

se incrementar tambin, se denota generalmente con la letra

2) DEFORMACIN UNITARIA:

La deformacin unitaria originada por la accin de una fuerza de tensin uniaxial sobre una

muestra, es el cuociente entre el cambio de longitud y la longitud original.


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3) DUCTILIDAD

La ductilidad es una propiedad fundamental del acero, de gran importancia en relacin con el

modo de falla de los elementos estructurales, tanto metlicos como de hormign armado.

Bajo condiciones que eliminan la posibilidad de fallas por inestabilidad en perfiles de

metlicos, o fractura del hormign en elementos del hormign armado, el elemento estructural

llega a su capacidad ltima despus de grandes deformaciones plsticas, tipo de falla opuesta

al de un material frgil, como el vidrio o la loza, los cuales se caracterizan por una falla

repentina o explosiva ya que no presentan comportamiento plstico.

Esta propiedad es de gran importancia para el Diseo Ssmico, ya que permite disear

estructuras capaces de incursionar en el rango inelstico, deformndose plsticamente

mientras mantienen su resistencia, y sin fracturarse en forma prematura.

= r / y

4) MALEABILIDAD

Caracterstica de los metales que permiten la obtencin de lminas muy delgadas. Con el calor

aumenta la maleabilidad. Los metales ms maleables en orden de mayor a menor maleabilidad

son los siguientes:

Oro, plata, cobre, estao, plomo, Zinc, Hierro, Niquel.

5) FRAGILIDAD

La fragilidad intuitivamente se relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de

romperse con facilidad.

Tcnicamente la fragilidad se define como la capacidad de un material de fracturarse con

escasa deformacin, a diferencia de los materiales dctiles que se rompen tras sufrir acusadas

deformaciones plsticas. La rotura frgil tiene la particularidad de absorber relativamente poca

energa, a diferencia de la rotura dctil.


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6) RESILIENCIA

Magnitud que cuantifica la cantidad de energa por unidad de volumen que almacena

un material al deformarse elsticamente debido a una tensin aplicada, esto es, la capacidad de

absorber energa en la zona elstica.

Es el trabajo realizado en un volumen unidad de material, cuando se aumenta una fuerza de

traccin simple gradualmente desde cero hasta un valor tal que se alcance el lmite de

proporcionalidad del material. Puede calcularse por el rea bajo la curva tensin-deformacin

desde el origen hasta el lmite de proporcionalidad, las unidades en que se mide son kg/cm3.

7) TENACIDAD

Es la capacidad de energa que puede absorber un material antes de la fractura.

Corresponde al rea bajo la curva de un ensayo de traccin entre la deformacin nula (desde el

origen) y la deformacin correspondiente al lmite de rotura (resistencia ltima a la traccin).

La tenacidad de un material es su capacidad de absorber energa en la zona plstica del

material.

8) LIMITE DE PROPORCIONALIDAD

Es el punto en el cual la curva deja de ser lineal en su relacin Esfuerzo deformacin

unitaria.

9) LIMITE ELSTICO

Tambin denominado lmite de elasticidad, es la tensin mxima que un material elstico

puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes.

Si se aplican tensiones superiores a ese lmite, el material experimenta deformaciones

permanentes y no recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material

sometido a tensiones inferiores a su lmite de elasticidad es deformado temporalmente de

acuerdo con la ley de Hooke.


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10) ESFUERZO UNITARIO DE FLUENCIA (TRACCIN-COMPRESIN)

En este punto el material desarrolla un marcado incremento de la deformacin sin aumentar el

esfuerzo.

11) ESFUERZO UNITARIO ULTIMO (TRACCIN-COMPRESIN)

Es el mayor esfuerzo, basado en el rea original, que puede desarrollar un material. Es la

mxima ordenada de un diagrama Esfuerzo/Deformacin.

12) ESFUERZO UNITARIO DE RUPTURA (TRACCIN-COMPRESIN)

Es el esfuerzo de un material, basado el rea original, en el instante en que se rompe. Es la

ltima ordenada del diagrama esfuerzo-deformacin.

13) ESFUERZO DE CORTE

El esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o resultante de

las tensiones paralelas a la seccin transversal de un prisma mecnico como por ejemplo

una viga o un pilar. Se designa variadamente como T, V o Q.

Ocurre cuando sobre el cuerpo actan fuerzas que tienden a cortarlo o desgarrarlo. En este

caso, la superficie de corte es perpendicular a la fuerza aplicada.


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14) LIMITE DE FLUENCIA EN EL ESFUERZO DE CORTE

Criterio de Fluencia de Tresca: La deformacin plstica comienza cuando el esfuerzo de corte

mximo aplicado, alcanza el valor del lmite de fluencia (un esfuerzo de corte) en corte.

15) FACTOR DE SEGURIDAD

El coeficiente de seguridad (tambin conocido como factor de seguridad) es el cociente entre

el valor calculado de la capacidad mxima de un sistema y el valor del requerimiento

esperado real a que se ver sometido. Por este motivo es un nmero mayor que uno, que

indica la capacidad en exceso que tiene el sistema por sobre sus requerimientos.

En este sentido, en ingeniera, arquitectura y otras ciencias aplicadas, es comn, y en algunos

casos imprescindible, que los clculos de dimensionado de elementos o componentes de

maquinaria, estructuras constructivas, instalaciones o dispositivos en general, incluyan un

coeficiente de seguridad que garantice que bajo desviaciones aleatorias de los requerimientos

previstos, exista un margen extra de prestaciones por encima de las mnimas estrictamente

necesarias.

Los coeficientes de seguridad se aplican en todos los campos de la ingeniera, tanto elctrica,

como mecnica o civil, etc.

16) ESFUERZO ADMISIBLE

Es el mximo esfuerzo al que puede ser sometido un material con cierto grado de seguridad.

Por ejemplo para el acero estructural de acuerdo al mtodo de tensiones admisibles ASD, se

utiliza como tensin admisible del acero el 60% de la tensin de fluencia, es decir, 0,6fy. Para

llegar a esta tensin se aplica un Factor de seguridad de F.S=1,67.

Fadm= fy/1,67 = 0,6fy

17) MATERIAL HOMOGNEO

En qumica, es un sistema material que est formado por una sola fase termodinmica, es

decir, que tiene igual valor a las propiedades intensivas en todos sus puntos o de una mezcla

de varias sustancias que da como resultado una sustancia de estructura y composicin

uniforme. Una forma de comprobarlo es mediante su visualizacin. Si no se pueden distinguir

las distintas partes que lo forman, ste ser homogneo. Esto no es as en todos los casos,

como por ejemplo un gel, que a simple vista se ve igual en todas sus partes, pero no estn


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repartidos por igual los componentes de la sustancia, por lo tanto esta ser una sustancia

heterognea

18) MATERIAL ISOTRPICO

Material que posee las mismas propiedades elsticas en todas las direcciones en cada punto

del cuerpo. No todos los materiales son istopos. Si un material no tiene ninguna clase de

simetra elstica se llama anistropo o, a veces, alotrpico.

19) COEFICIENTE DE DILATACIN LINEAL

Se define como la variacin por unidad de longitud de una barra recta sometida a un cambio

de temperatura de un grado. El valor de este coeficiente es independiente de la unidad de

longitud, pero depende de la escala de temperatura empleada. Consideraremos la escala

centgrada, para la cual el coeficiente que se representa por alfa es para el acero, por ejemplo,

1.2 x 10-5 C-1. Las variaciones de temperatura en una estructura dan origen a tensiones

internas del mismo modo que las cargas aplicadas.

Para una dimensin lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor

de dicha magnitud antes y despus de cierto cambio de temperatura, como:

20) COEFICIENTE DE DILATACIN SUPERFICIAL

Es aquella en que predomina la variacin en dos dimensiones, o sea, la variacin del rea del

cuerpo.

Para estudiar este tipo de dilatacin, podemos imaginar una placa metlica de rea inicial S0 y

temperatura inicial 0. Si la calentramos hasta la temperatura final , su rea pasar a tener

un valor final igual a S.


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La dilatacin superficial ocurre de forma anloga a la de la dilatacin lineal; por tanto

podemos obtener las siguientes ecuaciones:

21) COEFICIENTE DE DILATACIN VOLUMTRICA

La dilatacin volumetrica es aquella en que predomina la variacin en tres dimensiones, o sea,

la variacin del volumen del cuerpo.

Para estudiar este tipo de dilatacin, podemos imaginar un cubo metlico de volumen inicial

V0 y la temperatura inicial 0. Si lo calentamos hasta la temperatura final, su volumen pasar

a tener un valor final igual a V.

La dilatacin volumtrica ocurri de forma anloga a la de la dilatacin lineal; por tanto

podemos obtener las siguientes ecuaciones:


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Observaciones:

Todos Los coeficientes de dilatacin sean , ou , tienen como unidad: ==> C-1

22) MDULO DE ELASTICIDAD (MODULO DE YOUNG)

El mdulo de Young o mdulo de elasticidad longitudinal es un parmetro que caracteriza el

comportamiento de un material elstico, segn la direccin en la que se aplica una fuerza. Este

comportamiento fue observado y estudiado por el cientfico ingls Thomas Young.

Para un material elstico lineal e istropo, el mdulo de Young tiene el mismo valor para

una traccin que para una compresin, siendo una constante independiente del esfuerzo

siempre que no exceda de un valor mximo denominado lmite elstico, y es siempre mayor

que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud.

Tanto el mdulo de Young como el lmite elstico son distintos para los diversos materiales.

El mdulo de elasticidad es una constante elstica que, al igual que el lmite elstico, puede

encontrarse empricamente mediante ensayo de traccin del material. Adems de este mdulo

de elasticidad longitudinal, puede definirse el mdulo de elasticidad transversal de un

material.

Para un material elstico lineal el mdulo de elasticidad longitudinal es una constante (para

valores de tensin dentro del rango de reversibilidad completa de deformaciones). En este

caso, su valor se define como el cociente entre la tensin y la deformacin que aparecen en

una barra recta estirada o comprimida fabricada con el material del que se quiere estimar el

mdulo de elasticidad:

Donde:

es el mdulo de elasticidad longitudinal.

es la presin ejercida sobre el rea de seccin transversal del objeto.

es la deformacin unitaria en cualquier punto de la barra.


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La ecuacin anterior se puede expresar tambin como:

23) MDULO DE RIGIDEZ

El mdulo de elasticidad transversal, tambin llamado mdulo de cizalladura, es una constante

elstica que caracteriza el cambio de forma que experimenta un material elstico (lineal e

istropo) cuando se aplican esfuerzos cortantes. Este mdulo recibe una gran variedad de

nombres, entre los que cabe destacar los siguientes: mdulo de rigidez transversal, mdulo de

corte, mdulo de cortadura, mdulo elstico tangencial, mdulo de elasticidad transversal,

y segunda constante de Lam.

Para un material elstico lineal e istropo, el mdulo de elasticidad transversal es una

constante con el mismo valor para todas las direcciones del espacio. En materiales anistropos

se pueden definir varios mdulos de elasticidad transversal, y en los materiales elsticos no

lineales dicho mdulo no es una constante sino que es una funcin dependiente del grado de

deformacin.

Experimentalmente el mdulo elstico transversal (o mdulo cortante) puede medirse de

varios modos, conceptualmente la forma ms sencilla es considerar un cubo como el de la fig.

1 y someterlo a una fuerza cortante, para pequeas deformaciones se puede calcular la razn

entre la tensin y la distorsin angular:

Experimentalmente tambin puede medirse a partir de experimentos de torsin, por lo que

dicha constante no slo interviene en los procesos de cizalladura.


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24) MODULO DE POISSON

Cuando una barra est sometida a una carga de traccin simple se produce en ella un aumento

de longitud en la direccin de la carga, as como una disminucin de las dimensiones laterales

perpendiculares a esta. La relacin entre la deformacin en la direccin lateral y la de la

direccin axial se define como relacin de Poisson. La representaremos por la letra griega

. Para la mayora de los metales esta entre 0.25 y 0.35.

25) RELACION ENTRE MODULO DE ELASTICIDAD, RIGIDEZ Y POISSON

Para un material istropo elstico lineal el mdulo de elasticidad transversal est relacionado

con el mdulo de Young y el coeficiente de Poisson mediante la relacin:

Donde:

es el mdulo de elasticidad longitudinal o mdulo de Young.

es el coeficiente de Poisson.

son respectivamente la tensin tangencial y la deformacin tangencial sobre el

plano formado por los ejes Xi y Xj.

26) MAQUINABILIDAD

La maquinabilidad es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con

que pueden ser mecanizados por arranque de virutas.


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27) SOLDABILIDAD

La Soldabilidad es la capacidad que tienen los materiales, de la misma o diferente naturaleza

para ser unidos de manera permanente mediante procesos de soldadura, sin presentar

transformaciones estructurales perjudiciales, tensiones o deformaciones que puedan ocasionar

alabeos.

28) TRATAMIENTOS TERMICOS

Se conoce como tratamiento trmico al conjunto de operaciones de calentamiento y

enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad,

presin, de los metales o las aleaciones en estado slido, con el fin de mejorar sus propiedades

mecnicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se

aplica el tratamiento trmico son, bsicamente, el acero y la fundicin, formados por hierro y

carbono. Tambin se aplican tratamientos trmicos diversos a los cermicos.

29) TEMPLABILIDAD

La templabilidad es la propiedad que determina la profundidad y distribucin de la fuerza

inducida mediante el templado a partir de la condicin austenitica.

Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no slo en la

superficie sino tambin en su interior. Por tanto, la templabilidad es una medida de la

profundidad a la cual una aleacin especfica puede endurecerse.

Hasta el momento se han discutido aspectos relativos al comportamiento del acero durante las

diversas formas de transformacin posibles en los mismos. Tanto los diagramas isotrmicos

como los diagramas de enfriamiento continuo dan informacin valiosa al respecto de este

comportamiento. Ellos indican, por ejemplo, que un acero puede ser enfriado ms lentamente

para obtener martensita cuando tiene elementos de aleacin en su composicin. Entretanto se

debe considerar cual es realmente la informacin proporcionada por estos diagramas para

efecto prctico en un tratamiento trmico. Se sabe que una pieza de acero enfriada en un

medio cualquiera tendr una velocidad de enfriamiento que depende de varios factores y una

vez que estos son determinados, se debe buscar alguna manera de comparar y predecir lo que

ir a suceder cuando se realice tal enfriamiento. Para esto es necesario que primeramente se

entienda lo que es la templabilidad.


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30) ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL

Procedimiento que permite, mediante tratamientos de varios tipos, dar a una pieza metlica

una dureza superficial especial.

Esta caracterstica es indispensable para garantizar cierta resistencia al desgaste de las

superficies sometidas a deslizamiento.

El endurecimiento, cuando no se realiza con procedimientos mecnicos, disminuye la

resistencia a la fatiga de las piezas y, por tanto, se evita en las superficies no sometidas a

desgaste (como la caa de las bielas).

Los ejemplos ms extendidos de este tipo de elaboracin son los engranajes y los rboles de

levas, en los cuales, tambin por motivos de economa, tan slo se tratan las zonas

superficiales sometidas a desgaste.

Los tratamientos para obtener un endurecimiento se clasifican, segn el procedimiento

empleado, en:

- trmicos, como el temple, que puede ser profundo, superficial o local;

- qumicos, como la cementacin, la nitruracin y el cromado;

- mecnicos, como el bolado o granallado y el bruido.

Adems, se produce cierto endurecimiento superficial en las piezas sometidas a una

deformacin plstica, como la estampacin.

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