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Propiedades físicas y mecánicas de los materiales

Resistencia de los materiales Julio Gatica Fuentes Instituto IACC 21/ 04/ 2018.

Desarrollo

1) Explique la interrelación entre los cuatro componentes del tetraedro interactivo de Thomas en el comportamiento de los materiales. Argumente adecuadamente su respuesta.

Respuesta:

Cómo podemos apreciar en la imagen gráfica, se trata de un diagrama esquemático explicativo de las propiedades mecánicas de los materiales. Principalmente se enfoca en 4 elementos como son: Propiedades mecánicas, caracterización de los materiales, la teoría (o ciencia que estudia los materiales y la composición de estos ) y finalmente el procesamiento. Todos estos elementos se relacionan directamente y deben estar en perfecto equilibrio por lo que son simbióticos, es decir, que cualquier alteración en el orden de estos podría afectar significativamente su resultado como en el caso de los aceros que poseen una amplia gama de propiedades mecánicas al estar expuestos a fuerzas de tracción, compresión y térmicas por lo cual los hace ideales para su uso en múltiples aplicaciones industriales. Según su porcentaje de hierro o carbono son utilizados para distintas maquinas o herramientas. El acero con menor porcentaje de carbono

es comúnmente utilizado para elaborar barras utilizadas en la

construcción de viviendas y edificios entre otros usos, mientras el acero con mayor porcentaje de carbono es utilizado en diversas industrias como la elaboración herramientas y partes automotrices los que gracias a tratamientos térmicos obtienen propiedades de mayor resistencia y son utilizados mayormente en: Ejes de transmisión, cigüeñales y piezas sometidas a altas condiciones de exigencia. Para sus distintos usos o aplicaciones se requieren distintas propiedades según el desempeño que se espere de estos. Para entender estas propiedades es necesario saber de qué se componen por lo cual la teoría es la encargada de estudiar todas estas cualidades y características de los materiales relativas a su estructura atómica o interna. De esta forma gracias al entendimiento de estas estructuras y

composiciones atómicas es posible sintetizar y transformar los materiales lo cual es el tema de estudio central en la ingeniería de los materiales. Así entonces podemos ver la interrelación directa entre los cuatro componentes del tetraedro interactivo de Thomas. 2) Indique cuáles son los tres factores de los que depende la densidad de un sólido. Argumente adecuadamente su respuesta. Respuesta: Dentro de las propiedades de los materiales una de las más significativas es la Densidad, gracias a esta es que podemos determinar el peso de algún elemento u objeto. La densidad de los sólidos posee tres factores elementales:

1. Masa atómica: La masa atómica nos entrega el peso (relativo) de los átomos, lo que nos permite determinar de esta manera su densidad y así también la masa que compone los diversos cuerpos existentes.

2. Tamaño atómico: Por medio de los análisis de densidad podemos determinar el radio de un átomo para calcular el volumen y densidad de los cuerpos sólidos.

3. Arreglo atómico:

Es relativo al análisis en la síntesis la que nos permite determinar las

características físicas y mecánicas del material que se forma producto de la sintetización de algún sólido debido a los enlaces existentes entre los átomos y nos permite también conocer su afinidad química.

3) Se tiene un mineral desconocido al cual se le quiere determinar la dureza aproximada en la escala de Mohs y se dispone de dos piezas metálicas de dureza Brinell conocida (metal A con una dureza HB = 500 y metal B con una dureza HB = 400). Al hacer un ensayo de rayado se observa que el metal A raya la muestra de mineral, mientras que el metal B no lo raya. Utilizando la tabla de conversión entre escalas, ¿cuál sería la dureza aproximada en la escala de Mohs del mineral? Justifique su respuesta.

Respuesta: Según los parámetros de comparación entre las escalas consultadas (Brinell y Mohs), la dureza del mineral estaría entre el rango de 5,8 HM (400 HB) y 6,3 HM (500 HB), por lo que según los parámetros de clasificación de la escala Mohs, correspondería a un mineral Ortoclasa. Esto según la clasificación de materiales establecida por Friedrich Mohs.

4) Observe las siguientes imágenes e identifique cuál(es) es (son) fractura(s) dúctil(es) y cuál(es) es (son) fractura(s) frágil(es). Justifique cada una de sus respuestas.

A

B

C

Respuesta: a) Como podemos apreciar en la figura A claramente corresponde a una fractura del tipo Dúctil, puesto que presenta una evidente deformación plástica lo que indica su inminente ruptura. b) En esta figura (B) podemos apreciar una ruptura del tipo frágil al tratarse de un cristal de vidrio el cual sufre una ruptura abrupta sin deformaciones plásticas y de manera súbita. c) En la figura C podemos apreciar una fractura dúctil por la evidente deformación plástica de la pieza. 5) De 2 ejemplos de fallas por fatiga, uno para el caso de una pieza metálica y otro para una pieza elaborada con polímeros e indique, en cada ejemplo, cómo afecta la fatiga del material en la vida útil de la pieza.

Ejemplos: a) Metales: En el ámbito automotriz vemos día a día el uso de elementos metálicos los cuales componen desde la carrocería, hasta el motor de los vehículos. Sin embargo aunque están hechos de metal con características de resistencia bastante amplias estos no son eternos y tras el uso diario y muchos kilómetros de recorrido el metal sufre desgaste y fatiga. Comúnmente suele pasar a nivel interno del motor donde los metales están expuestos a mayor desgaste, fuerzas, tracción, compresión, axiales y térmicas. Mientras se mantengan los niveles de lubricación y refrigeración el desgaste y fatiga de los materiales se verá disminuido o será menor como en el caso de los metales de biela, bancada y axiales los cuales soportan el cigüeñal del motor. Este está expuesto a una gran fricción y gracias a la película de aceite que se produce producto de la lubricación suministrada por la bomba de aceite impide que se funda metal con metal además de la refrigeración interna del motor provista por agua también suministrada por una bomba de agua y enfriada por medio de un radiador y un electro ventilador.

b) Polímeros: Un ejemplo muy común en el uso de polímeros es el de las bolsas de supermercado, estas están hechas comúnmente de polipropileno y según sus medidas tienen distintas resistencias para el peso que pueden soportar. Eventualmente a mayor peso existe la posibilidad de una ruptura en estas por la fatiga del material al sufrir un estiramiento.

6) Se realizó una prueba de fluencia en caliente para un acero inoxidable a 700 °C a 4 diferentes esfuerzos. Lamentablemente, el analista del laboratorio confundió los resultados y no recuerda a qué esfuerzo corresponde cada resultado, siendo los resultados de tiempo hasta la ruptura: 710, 110, 1.200 y 300 horas. Luego, con la información que dispone sobre el efecto del esfuerzo sobre la fluencia en caliente, ayude al asistente a organizar los resultados para así completar la siguiente tabla:

Esfuerzo aplicado (MPa)

Tiempo de ruptura (h)

115

110

130

300

145

710

160

1200

Fundamente su respuesta. Respuesta: En base a los datos expuestos para completar la tabla y en conocimiento del efecto del esfuerzo sobre la fluencia en caliente podemos determinar que la deformación ocurre en función del tiempo en tención constante a las temperaturas entregadas en los datos. Así podemos determinar de esta forma que la deformación, incrementa en la medida que incrementa también el tiempo de exposición del acero inoxidable a las altas temperaturas, para luego determinar el tiempo de ruptura correspondiente a cada esfuerzo aplicado. Así es como se puede completar la tabla de análisis.

Bibliografía 

Contenidos y recursos adicionales semana N° 3 Resistencia de los materiales instituto IACC 2018.