DISEÑO DE MAQUINAS I Capitulo 1: Introducción al diseño.

Capitulo 2 : Teorías de Falla. Cargas Estáticas.

Capitulo 3: Cargas dinámicas y fatiga.

Capitulo 4: Diseño de Uniones roscadas y soldadas.

Capitulo 5: Diseño de muelles Helicoidales.

Capitulo 6: Selección de cojinetes.

Capitulo 7: Diseño de elementos a compresión.

Capitulo 8: Diseño de cilindros de presión.

Bibliografía:

1. Budynas Richard y Nisbett Keith. Diseño en ingeniería mecánica de Shigley.

Novena edición

2. Budynas Richard y Nisbett Keith. Diseño en ingeniería mecánica de Shigley..

Octava edición

3. Norton Robert. Diseño de máquinas. Cuarta edición

4. Juvinall Robert. Fundamentos de Diseño de para ingeniería mecánica.

Tercera edición

5. Mott Robert. Diseño de elementos de máquinas. Cuarta edición

6. Hall A., Holowenco A., y Laughlin. Diseño de máquinas. McGraw-Hill

(serie Schaum)

4. Megyesy. Manual de recipientes a presión. Editorial Limusa. 1997.

PLAN DE EVALUACION

1. Evaluación 1 (Miércoles 16 de Octubre del 2013)

A. Primer examen parcial (capitulo 1, 2 y 3 Shigley) (5 puntos)

B. Resolución de problemas (2,5 puntos)

C. Portafolio Estudiante (0,5 Puntos)

2. Evaluación 2 (Jueves 14 de Noviembre del 2013)

A. Segundo examen parcial (capitulo 4, 5 y 6 Shigley) (5 puntos)

B. Resolución de problemas (2,5 puntos)

C. Anticipo del trabajo de investigación) (2 puntos)

D. Portafolio Estudiante (0,5 puntos)

3. Evaluación 3 (Miércoles 6 de Enero del 2014)

A. Tercer examen parcial (capitulo 8, 10, 11 y 12 Shigley) (5 puntos)

B. Resolución de problemas (2,5 puntos)

C. Liquidación del trabajo de investigación) (2 puntos)

D. Portafolio Estudiante (0,5 puntos)

Portafolio Estudiante

A: DATOS INFORMATIVOS: (Proporcionar los siguientes datos informativos)

Institución:

Facultad:

Escuela:

Carrera:

Área Académica:

Asignatura:

Estudiante(a):

Código del estudiante:

Fecha:

B: CONTENIDOS: (Incluir los siguientes elementos del proceso educativo)

Seguimiento de la planificación de la asignatura entregada por el docente

Pruebas parciales, principal, suspensión rendidas, con la consignación de

calificaciones del docente.

Elementos didácticos: resumen de la asignatura, guías de laboratorio

desarrolladas (de existir)

Otros componentes académicos: tareas de investigación, vinculación, otros

Comentarios sobre su rendimiento estudiantil, sus fortalezas y debilidades

académicos con fines de mejoramiento

Diseño de máquinas.

Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad. El diseño de maquinas,

es la creación de maquinas que funcionen en forma eficiente, segura y confiable.

Ejemplo:

1. Se quiere diseñar un reductor de velocidades . Consta de ejes, engranajes y

cojinetes principalmente.

2. Una trituradora para plástico. Consta de cuchillas, ejes y rodamientos

Aunque por necesidad se debe diseñar una máquina elemento por elemento, es vital

reconocer que la función y el desempeño de cada una de las partes (y por lo tanto su

diseño) dependen de muchas otras piezas interrelacionadas (sincronizadas) dentro

de la máquina misma.

Trituradora para plástico

Consta de 4 ejes con una serie de elementos cortantes constituidos por unos

discos con bordes filosos (3) provistos de garfios (2).

La función de los garfios consiste en agarrar el producto y llevarlo hasta las

cuchillas (4) montadas sobre dos ejes motores contra giratorios, que realizan

un corte neto del material.

La criba 5, para retener los pedazos mayores a un tamaño determinado, estos

son recuperados por los garfios y vuelven al proceso para ser nuevamente

triturados.

El diseño de una maquina moderna es a menudo muy complejo. Por ejemplo, para

diseñar un nuevo motor de un auto, el ingeniero automotriz debe dar repuesta a

muchas preguntas interrelacionadas.

¿Cuál es la relación entre el movimiento del pistón y del cigüeñal? ¿Cuales serán

las velocidades de deslizamiento y las cargas en las superficies lubricadas y qué

lubricantes existen para estén fin? ¿Qué cantidad de calor se genera y como se

enfriara el motor? ¿Cuáles son los requisitos de sincronización y control, y cómo

se satisfarán? ¿Cuál será el costo para el consumidor, tanto por lo que respecta a la

compra inicial como en lo referente al funcionamiento y mantenimiento continuo?

¿Qué materiales y métodos de fabricación se emplearan? ¿Qué economía de

combustible se tendrá? ¿Cuál será el ruido y cuáles las emisiones de salida o

escape? ¿Satisfará estos últimos los requisitos legales?

Aunque éstas y muchas otras preguntas importantes se deben responder antes de

que el diseño llegue a su etapa final, es necesario reunir personas de las más

diversas especialidades para producir un diseño adecuado y hacer acopio de

muchas ramas de la ciencias

Para ello se deberá hacer uso de un conjunto común de conocimientos tales como

de la estática, la dinámica, la resistencia de materiales (análisis de esfuerzos) y las

propiedades de los materiales (Ingeniería de materiales).

El objetivo último en el diseño de máquinas es dimensionar y formar las piezas

(elementos de máquinas), para lo que se debe escoger materiales y procesos de

manufactura apropiados, de manera que la máquina resultante se comporte o lleve a

cabo sin falla su función predetermina.

Esto requiere la habilidad de calcular y prever el modo y las condiciones de falla de

cada uno de los elementos, y acto seguido diseñarlos para evitar tales condiciones.

Esto obliga a que se efectúe un análisis de esfuerzos y deflexión para cada pieza.

Si la “máquina” en cuestión no tiene partes en movimiento (estructura), la tarea

de diseño se hace mucho más sencilla, ya que sólo es necesario un análisis de

fuerzas estáticas. En cambio, si la máquina tiene partes en movimiento

entonces está sujeta a cargas dinámicas.

En una estructura estática, diseñada para soportar un peso en particular, el factor

de seguridad de la estructura se incrementa añadiendo material apropiadamente

distribuido. Aunque resultará más pesado (más peso “muerto”), si está

correctamente diseñado, soportará más peso “vivo” (carga útil) que antes, y

todavía sin falla.

En una máquina dinámica, añadir peso (masa) a partes en movimiento pudiera

tener el efecto opuesto, con lo que se reduciría el factor de seguridad de la

máquina, su velocidad permisible y su capacidad de carga útil.

Esto se debe a que parte de la carga que generan los esfuerzos en las partes en

movimiento es consecuencia de las fuerzas de inercia previstas por la segunda ley

de Newton, F = ma. Dado que la aceleración de las partes en movimiento dentro

de la máquina está dictada por su diseño cinemático y por su velocidad de

operación, agregar masa en partes en movimiento incrementará las cargas por

inercia de estas mismas partes o piezas, a menos de que se reduzcan sus

aceleraciones cinemáticas bajando la velocidad de operación.

La inercia mecánica es la tendencia de los cuerpos a mantener el estado de

movimiento o reposo en el que se encuentran. El cual no se modifica a menos que

actúen fuerzas externas sobre su masa.

Existen dos tipos de inercia mecánica:

Inercia traslacional, relacionada con la masa total de un cuerpo.

Inercia rotacional, relacionada con la distribución de la masa de un cuerpo en

torno a su centro de masas.

Aunque la masa añadida pudiera aumentar la resistencia de la pieza, dicho

beneficio quedaría reducido o cancelado por los incrementos resultantes en

fuerzas de inercia

Máquina

Una maquina es una combinación de elementos rígidos, conectados por medio de

articulaciones que le permiten un movimiento relativo definido y son capaces de

transmitir o transformar energía.

Una maquina siempre debe ser abastecida con energía de una fuente externa. Su

utilidad consiste en su habilidad para alterar la energía suministrada y convertirla

eficazmente para el cumplimiento de un servicio deseado.

La máquina es una combinación de cuerpos resistentes de tal manera que por

medio de ellos, las fuerzas mecánicas de la naturaleza se pueden encauzar para

realizar un trabajo acompañado de movimientos determinados. (Ejemplo, un

motor de explosión)

En una máquina, los términos fuerza, momento de torsión (o par de motor),

trabajo y potencia describen los conceptos predominantes. Un motor de

combustión interna es un ejemplo de una maquina, transforma la energía de

presión del gas en trabajo mecánico entregándolo en el cigüeñal, esta maquina

transforma un tipo de energía a otro.

Modernamente la maquina se considera el resultado de un diseño en el que

intervienen dos grupos de factores: uno de naturaleza puramente mecánica (las

piezas y los mecanismos que la constituyen) y otro de naturaleza no mecánica

(estética, mercado, impacto social, régimen político imperante, etc.).

Ambas consideraciones hacen que las maquinas modernas adquieran diversas

configuraciones y características según el entorno sociopolítico y económico en

el que se diseñan, construyen y analizan.

Componentes de las máquinas

Cualquier maquina se compone de un numero predeterminado de elementos

(piezas) componentes, unos fijos y otros móviles, agrupados a veces para ejecutar

tareas diferentes dentro de una misma maquina (formando mecanismos diversos).

Así, se encuentran maquinas y mecanismos muy simples, constituidas por pocas

piezas, hasta otras mas complejas, constituidas por miles de piezas como el motor

de combustión interna.

Elementos de soporte:

Bastidores

Cojines de fricción

Cojinetes de rodamiento

Ejes

Elementos neumáticos e hidráulicos

Cilindros

Válvulas

Bombas

Elementos de los sistemas de control

Sensores (mecánicos, eléctricos, etc.)

Igual que el número de componentes diferentes de las maquinas esta limitado,

también lo están los diferentes materiales con que pueden ser construidos:

Hierro y sus aleaciones (aceros)

Aluminio, magnesio, cobre, etc. Y sus aleaciones

Goma, madera, cuero, etc.

Plásticos y fibras sintéticas, cerámicas, etc.

Mecanismo

Mecanismo, es la combinación de cuerpos resistentes conectados por medio de

articulaciones móviles para formar una cadena cinemática cerrada con un eslabón

fijo y cuyo propósito es transformar el movimiento. (Ejemplo, mecanismo pistón-

biela-manivela).

Puede haber una maquina compuesta por varios mecanismos en la que un

miembro móvil de uno de ellos sea el bastidor (eslabón fijo) de otro mecanismo.

Tipos de mecanismo

Engranajes

Pistón biela

Levas

Mecanismos de poleas y correa

Mecanismos de barras articuladas

Mecanismos de biela y manivela

Mecanismo de Tornillo/tuerca

Es evidente que todos, y cada uno de los elementos de las maquinas han de ser

diseñados para resistir, sin fallos, todas las acciones que sobre ellos actúan. El

numero de tales acciones esta también bastante limitado, siendo las más

importantes:

Fuerzas y pares, permanentes y transitorios.

Impacto, choque y vibraciones

Acciones térmicas

Acciones corrosivas

Otras (de menor entidad, como eléctricas, magnéticas, etc.)

El diseño en ingeniería mecánica

La ingeniería mecánica es una rama de la ingeniería, que aplica las ciencias

exactas, específicamente los principios físicos de la termodinámica, mecánica,

ciencia de materiales, mecánica de fluidos y análisis estructural para el diseño y

análisis de diversos elementos usados en la actualidad, tales como maquinarias

con diversos fines (térmicos, hidráulicos, de transporte, de manufactura), así

como también de sistemas de ventilación, vehículos motorizados terrestres,

aéreos y marítimos, entre otras aplicaciones.

Los ingenieros mecánicos están relacionados con la producción y el

procesamiento de energía y con el suministro de los medios de producción, las

herramientas de transporte y las técnicas de automatización. Las bases de su

capacidad y conocimiento son extensas. Los ingenieros mecánicos usan

principios como el calor, las fuerzas , la conservación de la masa y la energía para

analizar sistemas físicos estáticos y dinámicos, contribuyendo a diseñar objetos.

El diseño en la ingeniería mecánica involucra todas las áreas que tienen que ver

con esta disciplina.

Ejemplo: Un simple muñón y cojinete involucran flujo de fluidos, transferencia

de calor, fricción, transporte de energía, selección de materiales, tratamientos

termomecánicos, descripciones estadísticas (durabilidad), etc.

Fases del proceso de diseño

Fases del proceso de diseño

1. Identificación de necesidades y definición de problemas .

La necesidad es un requerimiento insatisfecho. Por ejemplo, la necesidad de

hacer algo con respecto a una máquina empacadora de alimentos que es

demasiado ruidosa y poco eficiente (alteraciones en la calidad del empaque).

La necesidad de reciclar plástico y evitar la contaminación del ambiente.

Luego viene la definición del problema que es algo más especifico y debe incluir

todas las especificaciones del objeto que se va ha diseñar, un problema es una

situación anómala que admite multiples soluciones y que de todas ellas, una será

la mejor porque satisface los requerimientos necesarios (el como?)

Para el primer caso el problema sería como bajar el nivel de ruido (transmisión

mediante bandas) y aumentar la eficiencia.

Para el segundo plantear mecanismos alternativos para picar el plástico

(trituradoras o molinos).

El diseño comienza cuando el ingeniero, su jefe o su cliente detecta la necesidad de

una máquina, y decide hacer algo para conseguirla. Esta necesidad debe ser

expresada en forma breve y sin detalles.

Por ejemplo, “tener una máquina de pegar etiquetas en las botellas de vino

embasadas”.

Si la necesidad es “tener una máquina de pegar etiquetas en las botellas de vino

embasadas”, el problema será: “que se pueda intercalar en las líneas de embasado,

que tenga la misma cadencia que éstas (velocidad sincronizada), que admita las

distintas gamas de botellas, que sea fácilmente adaptable, que tenga un fácil

mantenimiento, etc.”.

Con todo ello se redactará la Especificación de los requisitos de diseño.

2. Síntesis

Una vez que se han definido el problema y obtenido un conjunto de

especificaciones implícitas, formuladas por escrito, el siguiente paso en el diseño

como se indica, es la síntesis de una solución óptima.

En el proceso de síntesis, se diseña un mecanismo o máquina que sea capaz de

realizar el trabajo deseado, de forma aproximada. Deben proponerse varios

esquemas de solución y se debe realizar el análisis para evaluar cual alternativa

presenta un desempeño satisfactorio.

Ahora bien, esta síntesis no podrá efectuarse antes de hacer el análisis y la

optimización, puesto que se debe analizar el sistema a diseñar, para determinar si

su funcionamiento cumplirá las especificaciones. Dicho análisis podría revelar

que el sistema no es óptimo. Si el diseño no resultase satisfactorio en una de

dichas pruebas o en ambas, el procedimiento de síntesis deberá iniciarse otra vez.

3. Análisis y optimización

En el proceso de análisis se calculan posiciones, desplazamientos, velocidades,

aceleraciones y fuerzas que aparecerán en las diferentes piezas que componen el

mecanismo o máquina y se comprueba si los movimientos son los previstos, y si

las dimensiones prefijadas son las adecuadas para soportar los esfuerzos a que

se verán sometidas las piezas.

Caso de no ser así, se vuelve a rediseñar y analizar en un proceso iterativo, hasta

lograr un diseño de mecanismo o máquina que realice los movimientos previstos

y esté correctamente dimensionado.

Se ha indicado, y se reiterará sucesivamente, que el diseño es un proceso

iterativo en el que se pasa por varias etapas, se evalúan los resultados y luego se

vuelve a una fase anterior del proceso. En esta forma es posible sintetizar varios

componentes de un sistema, analizarlos y optimizarlos para, después, volver a la

fase de síntesis y ver que efecto tiene sobre las además partes del sistema .

Para el análisis y la optimización se requiere que se desarrollen o imaginen

modelos abstractos del sistema que admitan alguna forma de análisis

matemático. Tales modelos que reproduzcan lo mejor posible el sistema físico

real.

4. Evaluación y presentación

La evaluación es una fase significativa del proceso total de diseño, pues es la

demostración definitiva de que un diseño es acertado y , generalmente, incluye

pruebas con un prototipo en el laboratorio. En este punto es cuando se desea

observar si el diseño satisface realmente la necesidad o las necesidades. ¿Es

confiable? ¿Competirá con éxito contra productos semejantes? ¿Es de

fabricación y uso económicos? ¿Es fácil de mantener y ajustar? ¿Se obtendrán

ganancias por su venta o utilización?

La presentación del diseño a otras personas es el paso final y vital en el proceso

de diseño. Es indudable que muchos importantes diseños, inventos y obras

creativas se han perdido para la humanidad, sencillamente porque los creadores

se rehusaron o no fueron capaces de explicar sus creaciones a otras personas.

La presentación es un trabajo de marketing.

Consideraciones o factores de diseño

La expresión factor de diseño significa alguna característica o consideración que

influye en el diseño de algún elemento o, quizá, en todo el sistema. Por lo general

se tiene que tomar en cuenta varios de esos factores en un caso de diseño

determinado. En ocasiones, alguno de esos factores será crítico y, si se satisfacen

sus condiciones, ya no será necesario considerar los demás. Por ejemplo, suelen

tenerse en cuenta los factores siguientes:

A veces, la resistencia de un elemento es muy importante para determinar la

configuración geométrica y las dimensiones que tendrá dicho elemento, en tal

caso se dice que la resistencia es un factor importante de diseño.

Factores de diseño

Resistencia

Confiabilidad

Condiciones térmicas

Corrosión

Desgaste

Fricción o rozamiento

Procesamiento

Utilidad

Costo

Seguridad

Peso

Ruido

Estilización

forma

Tamaño

flexibilidad

Control

Rigidez

acabado de superficies

Lubricación

Mantenimiento

Volumen

Herramientas y recursos de diseño

En la actualidad, el ingeniero tiene una gran variedad de herramientas y recursos

disponibles que le ayudan a solucionar los problemas de diseño.

a. La computadoras. Permiten almacenar datos e información

b. Los Software especializados para diseñar, analizar y simular componentes

mecánicos :

Diseño asistido por computadora (CAD) permite el desarrollo de diseños

tridimensionales (3-D) a partir delos cuales puede producirse vistas

ortográficas convencionales con dimensionamiento automático. Las

trayectorias de las herramientas pueden generarse a partir de los modelos 3-D

(maquinas CNC). Se pueden incluso hacer simulaciones.

Existe una gran cantidad de software de CAD disponible como Aries,

AutoCAD, Cadkey, Unigraphics, Solid Works y ProEngineer por mencionar

algunos.

Normas y códigos

Los códigos y normas son documentos que rigen y regulan las actividades

industriales.

Norma. Es un documento que establece los requisitos o especificaciones para el

uso de partes, materiales o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad,

eficiencia y cantidad determinadas.

Uno de los propósitos importantes de una norma es poner un límite al número de

variaciones que pueden surgir al crear arbitrariamente una pieza, material o

proceso. Ej: Las normas ASTM, especifican las propiedades mínimas que deben

tener los materiales para determinadas aplicaciones.

Código. Es un conjunto de especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y

construir algo. El propósito de un código consiste en lograr un grado específico de

wguridad, eficiencia y desempeño o calidad. Ej: el código ASME sección VIII, da

las especificaciones para diseñar en forma segura recipientes de presión.

Norma en general

Las normas son documentos técnico-legales con las siguientes características:

Contienen especificaciones técnicas de aplicación voluntaria.

Son elaborados por consenso de las partes interesadas:

Fabricantes.

Administraciones.

Usuarios y consumidores.

Centros de investigación y laboratorios.

Asociaciones y Colegios Profesionales.

Agentes Sociales, etc.

Están basados en los resultados de la experiencia y el desarrollo tecnológico.

Son aprobados por un organismo nacional, regional o internacional de

normalización reconocido.

Están disponibles al público.

CLASIFICACIÓN DEL CÓDIGO A.S.M.E.

Sección I Calderas de Potencia

Sección II Especificación de Materiales

Sección III Requisitos generales para División 1 y División 2

Sección IV Calderas para Calefacción

Sección V Pruebas no Destructivas

Sección VI Reglas y Recomendaciones para el cuidado y operación de las

Calderas de Calefacción

Sección VII Guía y recomendaciones para el cuidado de Calderas de Potencia

Sección VIII Recipientes a Presión

Sección IX Calificación de Soldadura

Sección X Recipientes a Presión de Plástico reforzado en fibra de Vidrio

Sección XI Reglas para Inspección

Normas ASTM

Desde su establecimiento en 1898, la ASTM International es una de las

organizaciones de desarrollo de normas internacionales más grande del mundo.

En la ASTM se reúnen productores, usuarios, consumidores, entre otros, para

crear normas consensuales voluntarias.

Las normas de ASTM International se usan en investigaciones y proyectos de

desarrollo, sistemas de calidad, comprobación y aceptación de productos y

transacciones comerciales alrededor del mundo.

Normas y códigos más utilizados

Aluminum Association (AA)

American Gear Manufacturers Association (AGMA)

American Institute of Steel Construction (AISC)

American National Standards Institute (ANSI)

ASM International

American Society of Mechanical Engineers (ASME)

American Society of Testing and Materials (ASTM)

American Welding Society (AWS)

American Bearing Manufacturers Association (ABMA)

American Petroleum Institute – API (Instituto Americano del Petróleo)

British Standars Institution (BSI)

International Standars Organization (ISO)

Society of Automotive Engineers (SAE)

Economía del diseño

La consideración del costo tiene una función tan importante como el estudio de

todo el tema de diseño. Se entiende por requisito de economía que la máquina

deba ser capaz de cumplir las funciones a que ha sido destinada, con niveles

aceptables de costo de producción, explotación y reparación (requisito de

fiabilidad o confiabilidad).

A menudo, los materiales y la mano de obra incrementan su costo de un año a

otro. Pero es de esperar que los costos del procesamiento de materiales presenten

una tendencia a la baja debido al empleo de máquinas herramientas automatizadas

y robots industriales. El costo de fabricar un mismo producto varía de ciudad en

ciudad y de una planta a otra, debido a las diferencias entre los gastos generales,

mano de obra, impuestos y fletes y a las ligeras variaciones en la manufactura.

El proceso de diseño tiene implicaciones técnicas y económicas. Como regla

general, el diseñador debe de lograr un balance adecuado de fiabilidad y economía

en la máquina que se diseña.

1. Tamaño estándar

La utilización de tamaños estándar o comunes es el principio fundamental de la

reducción de los costos. Para asegurar que se especifique tamaños estandar o

recomendables el diseñador debe tener acceso a las listas de existencia de los

materiales que se emplean.

Por lo general, las partes que se hacen y se venden en grandes cantidades cuestan

menos que las de tamaños poco comunes.

Por ejemplo, el costo de los cojinetes de bolas depende más de la cantidad de

producción del fabricante de cojinetes, que del tamaño del cojinete.

2. Tolerancias amplias

Entre los efectos de las especificaciones de diseño sobre los costos, tal vez los

de las tolerancias sean los más significativos. Las tolerancias de diseño influyen

de muchas maneras en la facilidad de fabricación del producto final: las

tolerancias estrictas quizá necesiten pasos adicionales en el procesamiento o

incluso provocan que la producción de una parte sea económicamente

impráctica.

Las tolerancias cubren la variación dimensional y el intervalo de rugosidad

superficial, así como la variación de propiedades mecánicas que generan el

tratamiento térmico y otras operaciones de procesamiento.

Como las partes que tienen tolerancias amplías a menudo se producen por

medio de máquinas con velocidades de producción altas, los costos serán

significativamente menores. Así mismo, se rechazarán menos partes en el

proceso de inspección y a menudo serán más fáciles de ensamblar.

3. Punto de equilibrio

Algunas veces sucede que, cuando se compara el costo de dos o más alternativas

de diseño, la elección entre ellas depende de un conjunto de condiciones como la

cantidad de producción, la velocidad en las líneas de ensamble o alguna otra

condición. Así se llega a un punto que corresponde a costos iguales, el cual se

llama punto de equilibrio.

Ej: Considere una situación en la cual una cierta parte se manufactura a la

velocidad de 25 partes por hora en un torno automático, o 10 partes por hora en un

torno manual. Suponga que el tiempo de preparación del torno automático es de 3

horas y el costo de la mano de obra para cualquier máquina es de $ 20 por hora,

incluyendo gastos generales. El punto de equilibrio corresponde a 50 partes. Si la

producción que sea desea es mayor a 50 partes, se debera emplear la máquina

automática.

Comportamiento del costo de fabricación en función de la producción de piezas

con torno manual o automático. El punto de equilibrio corresponde a 50 piezas,

reportando que para producciones mayores de 50 piezas debe usarse el torno

automático.

El punto de equilibrio representa el monto de ingresos o ventas mínimas que

la empresa debe tener para no incurrir en pérdidas. En ocasiones este punto

de equilibrio puede incluir una cantidad o proporción de utilidades, que los

accionistas deseen obtener, para satisfacer su costo de oportunidad.

4. Estimaciones de los costos

Hay muchas formas de obtener las cifras relativas de los costos, de manera que dos

o más diseños se comparan aproximadamente. En algunos casos se requiere cierto

criterio. Por ejemplo se puede comparar el valor relativo de dos automóviles

mediante su costo monetario por unidad de peso.

Otra manera de comparar el costo de un diseño con otro es simplemente mediante

el costo del número de partes. El diseño que tenga el número menor de partes

talvez cueste menos.

Se utilizan muchos estimadores de costos, según sea la aplicación como área,

volumen, potencia, par de torsión, capacidad, velocidad y diversas relaciones de

desempeño.

Seguridad y responsabilidad legal del producto

En Estados Unidos prevalece el concepto de la responsabilidad legal estricta, el

cual dispone que el fabricante de un artículo es legalmente responsable por

cualquier daño o perjuicio que provoque un defecto. Y no importa si el

fabricante sabía acerca del defecto o incluso si no sabia (el desconocimiento no

le exime de responsabilidad).

Por ejemplo, suponga que un artículo se fabrico, hace 10 años y que en ese

tiempo el artículo no se hubiese considerado defectuoso con base en el

conocimiento tecnológico disponible en ese entonces. Diez años después, de

acuerdo con el concepto de responsabilidad legal estricta, el fabricante aún

conserva su responsabilidad. Así bajo este concepto, el demandante sólo

necesita demostrar que el artículo estaba defectuoso y que el defecto causó daño

o perjuicio. No se necesita probar la negligencia del fabricante.

Las mejores formas para prevenir la responsabilidad legal son la buena

ingeniería del análisis y el diseño , el control de calidad y los procedimientos

exhaustivos de pruebas.

Esfuerzo y resistencia

Esfuerzo (σ o τ )es la solicitación interna que se produce en un material debido a

las cargas que actúan sobre el. El esfuerzo es una propiedad de estado en un punto

específico dentro de un cuerpo, el cuál es una función de la carga, la geometría, la

temperatura y el proceso de manufactura.

La resistencia (S) es una propiedad de un material o elemento mecánico. La

resistencia de un elemento depende de la elección, el tratamiento y el

procesamiento del material.

La supervivencia de muchos productos depende de la forma en que el diseñador

ajusta el esfuerzo inducido por la carga para que sea menor que la resistencia en un

punto de interes (crítico). En resumen, debe permitir que la resistencia exceda el

esfuerzo por un margen suficiente, de manera que a pesar de las incertidumbres, la

falla no ocurra.

La supervivencia de muchos productos depende de la forma en que el diseñador

ajusta el esfuerzo inducido por la carga para que sea menor que la resistencia en un

punto de interes (crítico). En resumen, debe permitir que la resistencia exceda el

esfuerzo por un margen suficiente, de manera que a pesar de las incertidumbres, la

falla no ocurra.

Incertidumbre (falta de seguridad)

En el diseño de máquinas abundan las incertidumbres (inseguridades). Entre los

ejemplos de incertidumbres concernientes al esfuerzo y la resistencia están:

• La composición del material y el efecto de las variaciones en las propiedades.

• Las variaciones de las propiedades de un punto a otro punto dentro de una barra

de material.

• El efecto del procesamiento, en las propiedades.

• El efecto de ensambles , como soldaduras y ajustes por contracción, en las

condiciones del esfuerzo.

•La intensidad y distribución de cargas.

•La validez de los modelos matemáticos que se utilizan para representar la realidad.

•La intensidad de la concentración de tensiones

•El efecto del desgaste y la corrosión

Factor de seguridad

Si se tiene que evitar una falla estructural, las cargas que una estructura es

capaz de soportar deben ser mayores que las cargas a las que se va a someter

cuando este en servicio. Como la resistencia es la capacidad de una estructura

para resistir cargas, el criterio anterior se puede replantear como sigue: la

resistencia real de una estructura debe ser mayor que la resistencia requerida.

La relación de la resistencia real entre al resistencia requerida se llama factor

de seguridad :

Naturalmente, el factor de seguridad debe ser mayor que 1.0 para evitar falla.

Dependiendo de las circunstancias (grado de responsabilidad), los factores de

seguridad varían desde un poco mas que 1.0 hasta 10.

Confiabilidad (fiabilidad)

La medida estadística de la probabilidad para que un elemento mecánico no falle en

el servicio se llama confiabilidad de ese elemento. La confiabilidad R puede

expresarse mediante un número que tiene el intervalo 0 ≤ R ≤ 1. Una confiabilidad

de R = 0,90 significa que hay una probabilidad de 90 por ciento que la parte realice

una función adecuada sin falla. La falla de 6 partes, de cada 1000 fabricadas, se

podría considerar un índice de falla aceptable para una cierta clase de productos, lo

que representa una confiabilidad de 99,4 por ciento.

Según el método de confiabilidad de diseño , la tarea del diseñador consiste en

hacer una selección adecuada de materiales, procesos y dimensiones para lograr un

objetivo específico de confiabilidad.

La fiabilidad es la capacidad de un elemento o artículo de satisfacer una

función requerida en condiciones fijadas, por un período de tiempo establecido

( Norma MIL217/70) La fiabilidad de hecho no es cuantificable directamente,

sino a través de ciertos indicadores empíricos que se determinan a partir de

una muestra de datos observados. Los índices de fiabilidad son los

siguientes:

Probabilidad de trabajo sin fallo

Probabilidad de fallo

Intensidad de fallo

Densidad de fallo

Tiempo hasta y entre el fallo

Dimensiones y tolerancias

En mecánica de precisión, el ajuste es la forma en que dos piezas de una misma

máquina se acoplan entre sí, de forma tal que un eje encaja en un orificio.

Para dimensionar se emplean los siguientes términos:

Eje: elemento macho del acoplamiento.

Agujero: elemento hembra en el acoplamiento.

Dimensión: Es la cifra que expresa el valor numérico de una longitud o de un

ángulo.

Tamaño nominal. Tamaño para designar un elemento. Por ejemplo, se especifica

un tubo de 1 ½ pulg. O un perno ½ pulg. El tamaño real medido puede ser muy

diferente. Para el caso del tubo 1,900 pulg en su diámetro exterior y el diámetro

del perno real puede ser 0,492 pulg.

Límites. Dimensiones máximas y mínimas establecidas.

Tolerancia.. Es el margen de medidas límite que puede tener una pieza

(Diferencia entre los dos límites) . La tolerancia es la diferencia entre una cota

máxima (CM) y una cota mínima (Cm): T = CM – Cm.

Tolerancia bilateral. Variación en ambas direcciones a partir de la dimensión

básica. Ejemplo:

Tolerancia unilateral. Dimensión básica que se toma como uno de los límites,

de la cual se permite una variación solo en una dirección; ejemplo:

Holgura. Término que se refiere al acoplamiento de partes cilíndricas como un

perno y un agujero. La holgura diametral es la diferencia medica en los dos

diámetros. La holgura radial es la diferencia entre los dos radios.

Interferencia. Es lo opuesto de la holgura, para el acoplamiento de partes

cilindricas, donde el elemento interno es mayor que el externo. Interferencia

diametral es la diferencia entre el diámetro externo del eje y el diámetro interno

de la maza.

Margen. Es la holgura mínima o la interferencia máxima establecida por partes

ensambladas.

Desviación superior. Es la diferencia algebraica entre el límite máximo y el

tamaño básico correspondiente.

Desviación inferior. Es la diferencia algebraica entre el límite mínimo y el

tamaño básico correspondiente.

Desviación fundamental. Es la desviación superior o inferior, en función de

cual se aproxime más al tamaño básico.

Dimensión nominal (dN para ejes, DN para agujeros): es el valor teórico que

tiene una dimensión, respecto al que se consideran las medidas limites.

Dimensión efectiva:(de para eje, De para agujeros): es el valor real de una

dimensión, que ha sido delimitada midiendo sobre la pieza ya construida.

Dimensiones limites (máxima, dM para ejes, DM para agujeros; mínima, dm para

ejes, Dm para agujeros): son los valores extremos que puede tomar la dimensión

efectiva.

Desviación o diferencia: es la diferencia entre una dimensión y la dimensión

nominal.

Diferencia efectiva: es la diferencia efectiva entre la medida efectiva y la

dimensión nominal.

Diferencia superior o inferior: es la diferencia entre la dimensión máxima

/minima y la dimensión nominal correspondiente.

Diferencia fundamental: es una cualquiera de las desviaciones limites (superior o

inferior) elegida convenientemente para definir la posición de la zona de

tolerancia en relación a la línea cero.

Línea de referencia o línea cero: es la línea recta que sirve de referencia para las

desviaciones o diferencias y que corresponde a la dimensión nominal.

Tolerancia (t para ejes, T para agujeros): es la variación máxima que puede tener

la medida de la pieza. Viene dada por la diferencia entre las medidas limites, y

coincide con la diferencia entre las desviaciones superior e inferior.

Cálculos y cifras significativas

La exactitud de los números reales depende del número de cifras significativas

que los describen. A menudo pero no siempre, en ingeniería se necesitan tres de

las cuatro cifras significativas para tener exactitud.

Por lo general, el número de cifras significativas se infiere mediante el número

de cifras dadas (excepto para los ceros a la izquierda). Por ejemplo, se supone

que 706, 3.14 y 0,00219 son números con tres cifras significativas.

Para representar 706 con cuatro cifras significativas se inserta un cero a la

derecha 706,0 o 7,060 x10^2.

Las computadoras y las calculadoras representan los cálculos con muchas cifras

significativas.

Unidades

1. Unidades del sistema internacional (S.I.) consta de siete unidades básicas.

Son las que se utilizan para expresar las magnitudes físicas consideradas

básicas a partir de las cuales se determinan las demás:

2. Unidades inglesas (uso común en EU) ips (inch – pound - second)

Magnitud Nombre

Símbol

o

Relación con unidades

básicas

Superficie metro cuadrado m2 m

2

Volumen metro cúbico m3 m

3

Velocidad metro por segundo m/s m/s

Aceleración

metro por segundo

cuadrado

m/s2 m/s

2

Velocidad angular radián por segundo rad/s s-1

Fuerza Newton N Kg.m/s2

Presión Pascal Pa N/m

Energía/ Trabajo Joule J N.m

Entropía Joule por kelvin J/K J/K

Intensidad de

campo eléctrico Volt por metro

V/m V/m

Unidades con nombre especial (derivadas)

Hertz o hercio (Hz). Unidad de frecuencia.

Definición: un hercio es un ciclo por segundo.

Newton (N). Unidad de fuerza.

Definición: un newton es la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración

de 1 m/s2 a un objeto cuya masa sea de 1 kg.

Pascal (Pa). Unidad de presión.

Definición: un pascal es la presión normal (perpendicular) que una fuerza de un

newton ejerce sobre una superficie de un metro cuadrado.

Vatio (W). Unidad de potencia.

Definición: un vatio es la potencia que genera una energía de un julio por

segundo. En términos eléctricos, un vatio es la potencia producida por una

diferencia de potencial de un voltio y una corriente eléctrica de un amperio.

Especificaciones del estudio del caso de transmisión de potencia

Por ejemplo, suponga que una compañía desea proporcionar reductores de

velocidad fabricados en varias capacidades y relaciones de velocidad.

Requisitos de diseño Especificaciones de diseño

Potencia que se debe entregarse: 20 HP Potencia que debe entregarse: 20HP

Velocidad de entrada: 1750 rev/min Velocidad de entrada: 1750 rev7min

Velocidad de salida 85 rev/min Velocidad de salida: 82 – 88 rev/min

Eje de salida y eje de entrada Cargas permisibles sobre el eje de entrada

Operación continua Cargas permisibles sobre eje salida

Vida de 6 años, con 8 horas/día Ciclo de operación 100 por ciento

Poco mantenimiento Revisión de lubricación cada 2000 horas

Requisito. Condición que se debe cumplir

Especificación. Característica que tiene una parte o elemento.

Materiales

La gran mayoría de avances tecnológicos logrados en la sociedad moderna, se han

apoyado en el descubrimiento y desarrollo de materiales de ingeniería y proceso de

fabricación usados en su obtención. Una adecuada selección de materiales y

procesos, garantiza a los diseñadores de partes mecánicas su correcto

funcionamiento (performance) de los componentes diseñados.

El diseñador no busca un material, sino un perfil de propiedades (una combinación

específica), por eso “piensa al material” como un conjunto de atributos: sus

propiedades.

Un ejemplo que también permite analizar distintos requisitos son las bujías de un

motor de combustión interna . Los electrodos que producen la chispa deben

soportar fatiga térmica (cambios bruscos de temperatura), desgaste (causado por la

erosión de la chispa), y corrosión y oxidación, a causa de los gases de la parte alta

de los cilindros, que contienen compuestos nocivos como el azufre. Para estos

electrodos se utilizan aleaciones de platino, iridio o wolframio porque cumplen

todas estas propiedades.

SELECCIÓN DE MATERIALES

Actualmente existe disponible una gran variedad de materiales cada uno con sus

propias características, aplicaciones, ventajas y limitaciones. Los siguientes son

los tipos generales de materiales usados actualmente en la manufactura ya sea

individualmente o combinados.

Materiales Ferrosos. Aceros al carbono, aleados, inoxidables, aceros para

herramientas.

Aleaciones y materiales no ferrosos. Aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio,

superaleaciones, berilio, zirconio.

Cerámicos. Vidrios, grafito, diamante y materiales refractarios.

Materiales compuestos. Plásticos reforzados, compuestos con matriz metálica o

cerámica, estructuras de panal.

Aceros

Son aleaciones hierro-carbono con pequeñas cantidades de manganeso, silicio,

azufre y fósforo.

1. Aceros al carbono. Aquellos aceros cuyas propiedades dependen

fundamentalmente del contenido de carbono. Se subdividen en:

1. Aceros de bajo carbono

(menos del 0,25 % C)

Ej: Tubos, perfiles y láminas

2. Aceros de carbono medio.

(% C entre 0,25 y 0,50).

Ej: Construcción de elementos

de máquinas

3. Aceros de alto carbono

(% C mayor al 0,50)

Ej: Herramientas como

cuchillas, fresas, cinceles,

2. Aceros Aleados

Selección de los aceros

Los factores que deben tenerse en cuenta para la selección son:

Espesor. Para piezas de más de 20 mm de diámetro o espesor, aceros aleados

Aplicación. Condiciones normales de ambiente, aceros al carbono

Condiciones de temperaturas extremas y corrosión, aceros aleados

Forma de la pieza. Piezas de formas complicadas, que no deberán templarse en

agua, aceros aleados.

Proceso de fabricación. Piezas de producción en serie hay que sacrificar un poco

las características mecánicas.

Costo. Se debe elegir el acero con el menor contenido de carbono, que cumpla las

condiciones mecánicas mínimas exigidas y que tenga un precio razonable.

Ej: Para ejes aceros al carbono, para cigueñales aceros aleados.

Selección de aceros en base a las condiciones de carga :

1. Para piezas de resistencia inferior a 55 K/mm2 (539 MPa) se usan aceros

sin tratamiento térmico (aceros al carbono).

2. Para piezas con resistencia de 55 a 90 Kg/mm2 (539 a 882 MPa) se usan

con o sin tratamiento térmico (aceros al carbono o aleados).

3. Para piezas con resistencia mayor a 90 Kg/mm2 (882 MPa) se usan con

tratamiento térmico (aceros aleados).

Designación de los aceros AISI, SAE y UNS

Designación UNS es un sistema de código alfanumérico que comienza con una letra y es

seguida por cinco dígitos, aplicable a todo tipo de aleaciones. El número UNS es único para

cada aleación e indica una composición. No es una norma ni una especificación.

En muchos casos los números AlSl están; incorporados al código para mantener la familiaridad

( ejemplo AlSl 304 es UNS S30400). La letra inicial indica la categoría.

Los prefijos y sufijos usados en el sistema AISI/SAE han sido convertidos a códigos numéricos.

Por ejemplo los aceros al carbono aceros aleados comienzan con la letra "G" y son seguidos

por los 4 dígitos usados por AlSl /SAE. El quinto digito representa los prefijos o letras

intermedias del sistema AISI/SAE. ( E, B Y L corresponden a 6, 1 y4 respectivamente).

Hierros Fundidos. Aleaciones hierro-carbono que contienen de 1 a 3 % de

silicio. Tipos:

a. Hierros Fundidos Blancos. Contienen un máximo de 1,2 % de silicio por lo

que el carbono aparece en forma combinada de cementita. Son muy duros y

frágiles

b. Hierros Fundidos Grises. Contienen más del 1,2 % de silicio por lo que un

importante porcentaje de carbono aparece en forma de grafito.

c. Hierros Fundidos Maleables. Se obtienen a partir de los hierros fundidos

blancos mediante un recocido de maleabilización.

a. Hierros Fundidos Dúctil es. Se obtienen mediante la adición de Mg o Cerio

en la cuchara.

Aleaciones no ferrosas

Aunque los productos ferrosos todavía siguen siendo los metales más utilizados

en la actualidad, el resto de metales, es decir, los metales no férreos, son cada día

más imprescindibles y se emplean cada vez más en la industria para la

fabricación de multitud de productos.

En general, los metales no ferrosos son blandos y tienen poca resistencia

mecánica. Para mejorar sus propiedades se deben alear con otros metales.

Ordenados de mayor a menor utilización, son: cobre (y sus aleaciones), aluminio,

estaño, plomo, cinc, níquel, cromo, titanio y magnesio.

Clasificación de los metales no ferrosos

Aluminio

Las características sobresalientes del aluminio y sus aleaciones son su relación

resistencia-peso (2770 kg/m3), su resistencia a la corrosión y su alta

conductividad térmica y eléctrica.

El aluminio puro tiene una resistencia a la tensión de aproximadamente 90 MPa,

pero se puede mejorar mucho mediante el trabajado en frío y también al alearlo

con otros materiales (690 MPa).

Su módulo de elasticidad, así como los de sus aleaciones, es de 71,7 GPa, lo que

significa que su rigidez es aproximadamente un tercio de la del acero.

Rigidez es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar

esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos

mucho

Magnesio

La densidad del magnesio es de aproximadamente 1800 Kg/m3, que es dos

tercios de la del aluminio y un cuarto de la del acero. Como es el más ligero de

todos los disponibles en el mercado, se utilizan mayormente en las industrias

aeronáutica y automotriz, pero en la actualidad se le han encontrado otros usos.

Aunque las aleaciones de magnesio no tienen una gran resistencia, debido a su

peso ligero la relación resistencia-peso se compara de modo favorable con las

aleaciones más resistentes de aluminio y de acero. Aun aís, las aleaciones de

magnesio se emplean con mayor frecuencia en aplicaciones donde la resistencia

no es un factor importante.

El magnesio y sus aleaciones tienen un módulo de elasticidad de 45 GPa en

tensión y compresión, aunque algunas aleaciones no son tan fuertes en

compresión como en tensión.

A Aluminio F Hierro M Manganeso S Silicio

B Bismuto G Magnesio N Níquel T Estaño

C Cobre H Torio P Plomo Y Antimonio

D Cadmio K Zirconio Q Plata Z Zinc

E Tierras raras L Berilio R Cromo

Designación de las aleaciones de magnesio.

Según La ASTM se designan por dos letras que representan los elementos

principales de aleación, seguidas por sus porcentajes redondeados respectivos de

composición.

Ejemplo:

AZ92A, La primera A representa que tiene aproximadamente 9 % de Al, 2 % de Zn

y la última A que es la primera aleación que mereció esta designación.

Cobre y sus aleaciones

Características:

Densidad de 8,96 g/cm3

Punto de fusión 1083 oC

Alta conductividad eléctrica y térmica

Buena maleabilidad y ductilidad (formabilidad)

Buena maquinabilidad

Buena resistencia a la corrosión, y

Resistencia mecánica cuando está aleado

Aplicaciones: Conductores eléctricos y piezas eléctricas (99,9 % Cu), aleado

para radiadores y empaques de autos, pernos y tornillos

Aleaciones de níquel

Con frecuencia, las aleaciones de níquel se usan en lugar del acero, cuando se

requiere que funcionen a alta temperatura y en ciertos ambientes corrosivos.

Como ejemplo están los componentes de motores de turbinas, piezas de hornos,

sistemas de procesamiento químico y en componentes complicados de sistemas

marinos.

Ejemplos:

Inconel: Aleaciones de níquel y cromo.

Monel: Aleaciones de níquel y cobre

Ni-resist: aleaciones de níquel y hierro.

Hastelloy: Aleaciones de níquel y molibdeno, a veces con cromo, hierro o cobre.

Súper-aleaciones

Las superaleaciones contienen grandes cantidades de elementos de aleación con el

fin de producir una combinación de alta resistencia a altas temperaturas, a la

corrosión, a las vibraciones y a la termofluencia (alta resistencia mecánica a altas

temperaturas) a temperaturas superiores a los 1000ºC.

Las superaleaciones de níquel presentan un buen comportamiento hasta los 1000ºC

aproximadamente. Para temperaturas mayores se suelen emplear superaleaciones

de cobalto.

Aplicaciones de las Súper-aleaciones.

En industrias tan estratégicas como del automóvil, marina,

aeronáutica, aeroespacial, química y generación de energía. Ej:

Alabes de turbinas de gas y motores de Cohetes.

Turborreactores de aviones

Submarinos

Industria de Procesos químicos: Reactores químicos

Toberas y cámaras de combustión

Sistemas de Reactores Nucleares.

Tubos de intercambiadores de calor.

Prensas de extrusión

Aplicaciones médicas

Titanio

Comparado con el acero, metal con el que compite en aplicaciones técnicas, es

mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia

mecánica, pero es mucho más costoso que aquel, lo cual limita su uso industrial.

Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial,

donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan

en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos

ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los

tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricación de

muchas prótesis e implantes de este metal.

Aleaciones de Titanio: Contienen del 2% al 20% o más de Aluminio, Vanadio,

Estaño, Cromo, Niobio, Zirconio. Pueden ser aleaciones α, α – β y β. Las β son las

aleaciones de titanio más fuertes y resistentes.

Las aleaciones de Titanio con contenido de Paladio, Rutenio ó Níquel-Molibdeno

logran una mayor resistencia a la corrosión que el Titanio Comercialmente Puro.

Aplicaciones

Se pueden dividir en tres categorías:

1. Las que requieran buenas propiedades estructurales y/o de temperatura en

relación a la baja densidad.

2. Las que requieran elevada resistencia a la corrosión frente a medios químicos

agresivos.

3. Aplicaciones especiales (tales como prótesis e implantes) basadas en las

propiedades del Titanio

Polímeros.

Son moléculas orgánicas gigantes, que tienen pesos moleculares de 1000 a

1000000 g/g-mol. Estos materiales se obtienen mediante un proceso

denominado polimerización.

Características de los polímeros:

•Son materiales ligeros

•Resistentes a la corrosión

•Aislantes eléctricos

•Baja resistencia a la tensión

•No adecuados para aplicaciones a altas temperaturas

Las propiedades y comportamiento de los polímeros dependen del grado

de polimerización, tipo de monómeros, ramificaciones y Copolimeros.

Polímeros termoplásticos. Polímeros que pueden ser recalentados y

refundidos muchas veces, puesto que no se forman productos secundarios

durante el procesamiento. Presentan una estructura lineal

Polímeros termoestables. Polímeros que se polimerizan a temperaturas

elevadas, liberando un producto secundario que por ello se restringe su

reciclabilidad. Presentan una estructura con enlaces cruzados.

Elastómeros. Polímeros que poseen una estructura de cadenas altamente

enrolladas y parcialmente ligadas en forma cruzada, lo que permite al

polímero tener una deformación elástica excepcional

Cerámicos

Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen

aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y

resistencia muy elevada. Así mismo, su módulo de Young (pendiente hasta el

límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también es muy elevado

(lo que llamamos fragilidad).

Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión

puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene

dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al

comprimir estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del

colapso de los poros

Ejemplos de materiales cerámicos

• Nitruro de silicio (Si 3 N 4), utilizado como polvo abrasivo.

• Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de

tanques.

• Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y

como material refractario.

• Diboruro de magnesio (Mg B 2), es un superconductor no convencional.

• Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.

• Ferrita (Fe 3 O 4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en

núcleos de memorias magnéticas.

• Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.

• Ladrillos, utilizados en construcción

• Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares

• Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7-x), superconductor de alta

temperatura.

Materiales compuestos

Son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir

la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales

originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco

usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la

corrosión, dureza o conductividad Se forman con dos o más materiales distintos, cada

uno de los cuales contribuye a conformar las propiedades finales.

La mayoría de los compuestos que se utilizan en ingeniería constan de dos

materiales: un refuerzo llamado rellenador y una matriz. El reforzador proporciona

rígidez y resistencia; la matriz mantiene juntos los materiales y sirva para transferir

carga entre los refuerzos discontinuos.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las

propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria

del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que

resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan

juntas.

Ejemplos de materiales compuestos

Plásticos reforzados con fibra:

Clasificados por el tipo de fibra:

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o

Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente, "fibra de

vidrio")

Clasificados por la matriz:

Termoplásticos reforzados por fibra larga.

Termoplásticos tejidos de vidrio.

Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs:

Cermet (cerámica y metal).

Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica)

Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica:

Hormigón/Concreto

Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).

Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)

Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico

Madreperla o nácar

Concreto asfáltico

Madera mejorada:

Contrachapado

Tableros de fibra orientada (OSB).

Trex

Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)

Pycrete (serrín en matriz de hielo)

Materiales Aplicaciones Propiedades

Metales Alambres, tubos, piezas

de automóviles

Alta conductividad eléctrica,

Resistentes y dúctiles a

temperatura ambiente

Cerámicos Vidrios, ladrillos, loza Aislante térmico y eléctrico ,

frágiles, alta dureza, alta

resistencia

Polímeros Recipientes plásticos,

carcasas teléfonos

Bajo peso, baja resistencia, alta

resistencia a la corrosión

Compuestos herramientas de corte,

recipiente para reactores

Ligeros, resistentes, dúctiles,

con resistencia a las altas

temperaturas

Desarrollo del proceso de selección de materiales.

Pudiera definirse en cuatro etapas generales:

1. Análisis de los requerimientos de materiales: En esta etapa se determinan las

condiciones de servicio en función de las propiedades críticas.

2. Sondeo sobre los materiales que probablemente pueden ser utilizados. En esta

etapa se comparan las propiedades requeridas con una amplia base de datos de

propiedades mecánicas, para escoger un grupo reducido de materiales que

probablemente servirán.

3. Proceso de selección de los probables materiales, ya en términos de la calidad

del producto, costo, facilidad de fabricación, disponibilidad, etc., con objeto de

determinar el material más adecuado para la correspondiente aplicación.

4. Finalmente se desarrollan los datos de diseño, se establecen experimentalmente

las propiedades fundamentales de los materiales, hasta obtener una media

estadística del comportamiento de los mismos, bajo las condiciones que se espera

encontrar en el proceso de servicio.

Tratamientos térmicos

Son procesos donde los aceros y otras aleaciones se someten a temperaturas

elevadas para modificar sus propiedades.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN LOS ACEROS.

RECOCIDO: Los procesos de temple y revenido son reversibles. Mediante la

aplicación de una Tª por encima de la crítica y dejando después que se enfríe

lentamente , podemos restablecer la propiedades que el material tenía antes del

tratamiento térmico. A este tratamiento se le denomina recocido.

NORMALIZADO: Para aliviar las tensiones producidas por los procesos de

fabricación (forja , laminación, estampado...), se realiza un calentamiento a Tª

más elevada que la del recocido y se enfría un poco más rápido que endicho

tratamiento. El resultado es un acero más resistente y duro que uno totalmente

recocido

TEMPLADO: Endurecimiento del acero (0.3%C a 0.6%C), mediante un

calentamiento por encima de su temperatura crítica (760ºC), se mantiene cierto

tiempo (hasta equilibrar dicha Tª) y posteriormente se enfría rápidamente en

agua, aceite o sales.

REVENIDO: Tras un endurecimiento excesivo producido por un temple, es

necesario aliviar las tensiones internas del material y reducir su fragilidad,

aplicando una Tª de (200ºC a 600ºC) y dejando que el material se enfríe

lentamente a Tª ambiente.

BONIFICADO: Templado + revenido

TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS EN LOS ACEROS.

CEMENTACIÓN: Es un tratamiento termoquímico, que consiste en enriquecer

de carbono la superficie de un acero (C<0.15%), para después aplicarle un

templado. El resultado del tratamiento será una pieza, muy dura

superficialmente(hasta unos 60HRc, dependiendo del acero), y a la vez muy

tenaz internamente. Es un tratamiento especialmente indicado en levas,

engranajes....

NITRURACIÓN: Es un tratamiento termoquímico, mediante el cual se

enriquece con nitrógeno, la superficie de un acero previamente templado y

revenido. El resultado del tratamiento será una pieza, de extraordinaria dureza

superficial (hasta unos 1000HV ~ 70HRc),y a la vez muy tenaz internamente.

Procesamiento o manufactura de los materiales.

Es la aplicación de procesos que permiten dar la forma deseada a los materiales. Los principales son:

a. Colado. Fundir metales y aleaciones en hornos y verterlos en moldes o lingoteras.

b. Soldadura. Unir partes mediante la fusión de un material de aporte.

c. Maquinado. Usar el arranque de viruta por medio de herramientas de corte ( cuchillas, fresas. Brocas, punzones, etc.)

d. Metalurgia de polvos. Prensar polvos metálicos en una matriz y su posterior sinterizado que permite unir los polvos en un solo cuerpo.

e. Conformado o trabajado a presión. Aplicación de fuerzas o tensiones que provocan la deformación plástica de los metales o aleaciones

Procesos de conformado

Trabajado o conformado según la temperatura:

a. Trabajado en caliente. Deformación permanente de metales y aleaciones

por encima de la temperatura de recristalización.

Recristalización. Formación de una estructura nueva, de granos libres de

deformación a partir de una estructura trabajada en frio (altamente

deformada-gran nivel de energía) (0,4 Tm).

Temperatura de recristalización. Temperatura mínima a la que ocurre la

recristalización.

b. Trabajado en frio. Deformación permanente de metales y aleaciones por

debajo de la temperatura de recristalización.

Cuando un metal se deforma en frío, hay alguna distorsión de la

estructura reticular sobre todo en los planos de deslizamiento y fronteras

de grano, por lo que el material se endurece (Acritud)

Resistencia y trabajo en frío

El trabajo en frío es el proceso de deformación plástica por debajo de la

temperatura de recristalización en la región plástica del diagrama esfuerzo-

deformación

La deformación unitaria total tiene dos componentes

La deformación elástica viene dada por

La reducción de área R, se define como

El factor de trabajado en frío W se define como

Si se conoce la cantidad de trabajo en frio W el área A’i resulta

El trabajo en frío produce un nuevo conjunto de valores de resistencia que

pueden determinarse por

Puede demostrarse que m =εu

Bajo el supuesto de que durante la deformación el cambio de volumen es

pequeño, A l = Ao lo. Así l / lo = Ao/A

Si Pi < Pu, la nueva resistencia a la fluencia es

La resistencia última será

La resistencia a la fluencia se aproxima a la resistencia última

Procesos para el procesamiento de metales y aleaciones por presión:

1. Laminación.

Proceso por el cual una material reduce su espesor al pasar a través de rodillos

que giran y someten a altas presiones al mismo. La laminación puede realizarse

en caliente, obteniéndose una mayor reducción de espesor en cada pasada por el

laminador.

Luego se aplica la laminación en frío y para su reblandecimiento se aplica un

recocido y de esta forma se puede aplicar una nueva laminación.

2. Forja. Proceso de conformado por el que un metal adopta una

forma útil cuando es martillado o sometido a presión.

Hay dos tipos principales de forja: con martillo o con prensa.

Los procesos de forja pueden también clasificarse como forja en

matriz abierta y forja en matriz cerrada (estampación)

3. Extrusión. Proceso de conformado por el que un material reduce su sección

transversal cuando se le fuerza a pasar a través de una matriz mediante una

presión elevada.

Los dos principales procesos de extrusión son la extrusión directa y la

extrusión indirecta

4. Trefilado. Proceso por el que una varilla o alambrón reduce su sección

cuando pasa a través de una matriz cónica al ser estirada desde el otro

extremo.

5. Embutición. Proceso por el cual una chapa de metal es empujada mediante

un punzón dentro de una matriz para adquirir la forma de esta ultima.

6. Conformado de la chapa metálica. Comprende procesos tales como:

a. Cizallado. Es la operación de corte del material que se realiza mediante

dos cuchillas móviles en una cizalla.

b. Troquelado. Es el corte de discos o piezas de chapa con la forma

adecuada para su utilización ( punzón o troquel y una matriz).

c. Doblado. Es la operación de curvar una chapa plana.

Selección de materiales

La sección de materiales para construir una parte de máquina o un elemento

estructural es una de las decisiones más importantes que debe tomar el diseñador.

Una técnica básica consiste en listar todas las propiedades importantes de los

materiales asociadas con el diseño, por ejemplo, resistencia, rigidez y costo.

En seguida, para cada propiedad, se hace una lista de todos los materiales

disponibles y se ordena a partir del mejor; por ejemplo, para la resistencia, el

acero de alta resistencia como el 4340.

Después de haber formado la lista se selecciona una cantidad manejable de

materiales de la parte alta de la lista. De cada lista reducida se escogen los

materiales que figuran en todas las listas para someterlos a una revisión más

profunda. A los materiales incluidos en las listas reducidas pueden asignárseles

grados y después ponderarlos de acuerdo con la importancia de cada propiedad

Ejemplo:

Se quiere seleccionar un material para el cuadrante de una bicicleta

Resistencia Tenacidad. Resist. Corr. Fabricabilidad. Peso Costo

Acero x x x x

Aluminio x x x x x

Titanio x x x

Fibra x x x carbono

Método de Ashby

Se basa en el empleo de graficas de selección de materiales (Software CES).

Las graficas representan datos de diferentes propiedades para las familias y clases de

materiales incluidas en la tabla 2-4.

Ejemplo la figura 2-16, representa el módulo de Young E graficado contra la

densidad r. Los rangos lineales de cada propiedad de material graficada

adecuadamente en dos dimensiones forman elipses o burbujas. También se muestran

los grupos de burbujas ubicados de acuerdo con las familias de materiales.

La relación del módulo de Young sobre la densidad, E/r se conoce como el módulo

especifico o rigidez específica. Esta relación es de particular interés cuando se desea

minimizar el peso donde la limitación principal del diseño es la deflexión, la rigidez

o la frecuencia natural, en vez de la resistencia.

Las piezas de maquinaria hechas con materiales que tienen un mayor módulo

específico presentarán una menor deflexión, una mayor rigidez y una frecuencia

natural más alta

Los diferentes valores de b permiten comparaciones de las diversas relaciones entre

la rigidez y el peso; por ejemplo, bajo distintas condiciones de carga. Para las cargas

axiales la relación es lineal (b = 1), pero para las cargas de flexión es no lineal (b =

½). Como la grafica está en una escala log-log, aun las funciones exponenciales se

observan como líneas rectas.

Se pueden observar varias líneas punteadas para ellas para b = 1. las cuales

representan los módulos específicos de los materiales

Figura 2-16. Modulo de Young E contra densidad r de diferentes materiales

Figura 2-16. Modulo de Young E contra densidad r de diferentes materiales

Medida de desempeño P

La medida de desempeño P de un elemento estructural depende de 1) los

requerimientos funcionales; 2) la geometría y 3) las propiedades de los materiales

de la estructura. Esto es

P ={(requerimientos funcionales F), (parámetros geométricos G),(Propiedades materiales M)}

O de manera simbólica

P = f (F, G, M)

Si la función es separable P = f1(F). f2(G).f3(M)

Para lograr un diseño óptimo se debe maximizar o minimizar P. En relación sólo

con las propiedades del material, esto se hace al maximizar o minimizar f3 (M),

llamado coeficiente de eficiencia del material.

Figura 2-17. Modulo de Young E contra densidad r de diferentes materiales

Figura 2-16. Modulo de Young E contra densidad r de diferentes materiales

Figura 2-19. Resistencia S contra densidad r de diferentes materiales