Ensayos y propiedades by Editorial Pontificia Universidad Javeriana

adriana aristizábal castrillón martha ruth manrique torres

Otros títulos de la colección

Adriana Aristizábal Castrillón Ingeniera Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería Ambiental y doctora en Ingeniería Química, Ambiental y de

Conocer las propiedades de los materiales y las formas de medirlas es importante para el diseño y la optimización de procesos de manufactura

y el desarrollo de nuevos productos. En Fundamentos de ingeniería

esta cartilla los estudiantes del curso Ciencia de los Materiales, de Ingeniería Industrial, encontrarán la definición de propiedades importantes, su clasificación y los tipos de ensayos de los materiales, con especial énfasis en las propiedades mecánicas. También se incluyen ejercicios de análisis de las propiedades de los materiales en relación con el desempeño esperado de un producto y se exponen

Ensayos de dureza

los principios de la normalización y su importancia a la hora de desarrollar los ensayos de materiales.

Procesos de la Universidad Rovira i Virgili. Actualmente es profesora e investigadora del Departamento de Ingeniería de Procesos de la universidad EAFIT. Entre sus intereses de investigación se encuentran

Ensayos y propiedades de los materiales

la caracterización y síntesis de materiales y la producción más limpia.

Martha Ruth Manrique Torres Profesora investigadora del Departamento de Ingeniería Industrial de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana. Licenciada en Mecánica y Dibujo Técnico de la Universidad Pedagógica Nacional y especialista en CNC (Control Numérico Computarizado) del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA). Es magíster en Educación con énfasis en formación en educación superior de la Pontificia Universidad Javeriana, magíster en Ingeniería Electrónica de la misma universidad y doctora en Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Popular del Estado de Puebla (México). Además, es investigadora del grupo SIRP

ISBN 978-958-781-127-8

(Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) y del grupo Zentech de la Pontificia Universidad Javeriana.

Ensayos de tensión 9 7 8 -9 5 8 -7 8 1 -1 2 7 -8

9 789587 811278

Ensayos y propiedades de los materiales

Ensayos y propiedades de los materiales ADRIANA ARISTIZÁBAL CASTRILLÓN MARTHA RUTH MANRIQUE TORRES

Facultad de Ingeniería

Reservados todos los derechos

Corrección de estilo:

Paula Quintero Celis

Diagramación:

Kilka Diseño Gráfico Impresión: Javegraf Gráficos: Daniel Martín Manrique

Impreso y hecho en Colombia Printed and made in Colombia Editorial Pontificia Universidad Javeriana Carrera 7.ª n.º 37-25, oficina 1301 Edificio Lutaima Teléfono: 320 8320 ext. 4752

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Mineducación. Reconocimiento como

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Universidad: Decreto 1297 del 30 de mayo

Bogotá, D. C.

de 1964. Reconocimiento de personería jurídica: Resolución 73 del 12 de diciembre de 1933 del Ministerio de Gobierno

Aristizábal Castrillón, Adriana, autora Ensayos y propiedades de los materiales / Adriana Aristizábal Castrillón, Martha Ruth Manrique Torres. -- Primera edición. -- Bogotá : Editorial Pontificia Universidad Javeriana, 2017.

28 páginas : ilustraciones, gráficas y tablas; 24 cm Incluye referencias bibliográficas. ISBN : 978-958-781-127-8

1. CIENCIA DE LOS MATERIALES. 2. INGENIERÍA. 3. MANEJO DE MATERIALES. 4. MECÁNICA I. Manrique Torres, Martha Ruth, autora. II. Pontificia Universidad Javeriana. CDD 620.11 edición 21 Catalogación en la publicación - Pontificia Universidad Javeriana. Biblioteca Alfonso Borrero Cabal, S.J. inp

01 / 11 / 2017

Prohibida la reproducción total o parcial de este material, sin autorización por escrito de la Pontificia Universidad Javeriana.

Contenido

Ensayos y propiedades de los materiales

Propiedades mecรกnicas

Normas y normalizaciรณn

Referencias 25

Ensayos y propiedades de los materiales

Las propiedades de los materiales son el conjunto de características que hacen que un material se comporte de una determinada manera. Las propiedades de los materiales, dependen de los efectos combinados de los diferentes niveles de la estructura (atómica, estructura cristalina, microestructura y macroestructura) [1], [2], [3]. Con base en las propiedades de los materiales se realiza la selección de los mismos para las diversas aplicaciones de ingeniería y por ello es importante saber cuánto miden y cómo se miden. Hay diferentes tipos de propiedades de los materiales, entre ellas: físicas, químicas, eléctricas, mecánicas, etc. En el curso nos enfocaremos en las propiedades mecánicas, que son las propiedades que se asocian con la aplicación de esfuerzos o cargas que generan deformación en los materiales. En la tabla I se presenta la definición y clasificación de algunas propiedades de los materiales que serán usadas en el curso; esta no es una lista exhaustiva de propiedades. Tabla I. Definición de propiedades de los materiales y clasificación Propiedad Elasticidad

Definición

Tipo

Capacidad de un material de volver a su forma original cuando cesa el esfuerzo que lo deformó. Esta capacidad está limitada a un esfuerzo máximo (límite elástico), cuya magnitud varía según el material. Al sobrepasarse este esfuerzo se genera una deformación permanente. El rango de esfuerzo donde la deformación sufrida por el material no es permanente se llama zona elástica. Las deformaciones no permanentes se llaman deformaciones elásticas.

Mecánica

Continúa

Ensayos y propiedades de los materiales | 9

Propiedad

Definición

Tipo

Límite elástico o resistencia a la conformación

Valor máximo de esfuerzo que puede soportar un material sin sufrir una deformación permanente.

Mecánica

Resiliencia

Capacidad de un material de absorber energía cuando es deformado elásticamente por acción de una carga. Como la deformación es elástica, al retirar la carga la energía es recuperada al retomar la forma original.

Mecánica

Plasticidad

Capacidad de un material de adquirir deformaciones permanentes sin romperse. El rango de esfuerzo donde los materiales sufren deformaciones permanentes antes de romperse se llama zona plástica. Las deformaciones permanentes también se llaman deformaciones plásticas.

Mecánica

Rigidez

Capacidad de un material para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones.

Mecánica

Dureza

Capacidad de un material de resistir penetraciones o rayones por esfuerzos puntuales.

Mecánica

Ductilidad

Capacidad de un material de deformarse permanentemente por alargamiento sin romperse.

Mecánica

Fragilidad

Capacidad de un material de romperse antes de sufrir deformaciones permanentes. Un material frágil no tiene ductilidad ni plasticidad.

Mecánica

Maleabilidad

Mecánica Capacidad de un material de deformarse por esfuerzos de compresión sin romperse. Un material maleable se puede conformar por láminas.

Tenacidad

Capacidad de un material de absorber energía al deformarse permanentemente, antes de romperse. Al retirar el esfuerzo la energía absorbida no es liberada porque la deformación es plástica.

Mecánica

Fluencia

Capacidad de un material de deformarse plásticamente por un esfuerzo de tensión a temperatura elevada.

Mecánica

Resistencia

Mecánica Capacidad de un material de soportar esfuerzos sin romperse o deformarse. Hay varios tipos de resistencias de acuerdo al tipo de esfuerzo aplicado o al efecto esperado (ruptura o deformación). Continúa

10 | Ensayos y propiedades de los materiales

Propiedad

Definición

Tipo

Resistencia a la Capacidad de un material de resistir esfuerzos de tracción tracción antes de romperse.

Mecánica

Resistencia a la Capacidad de un material de resistir esfuerzos de flexión flexión antes de romperse.

Mecánica

Resistencia a la Capacidad de un material de resistir esfuerzos ruptura antes de romperse.

Mecánica

Resistencia a la Capacidad de un material de resistir esfuerzos fatiga repetitivos antes de romperse.

Mecánica

Resistencia a la Capacidad de un material de resistir la oxidación. corrosión

Química

Masa

Cantidad de materia que tiene un cuerpo.

Física

Peso

Fuerza que ejerce la gravedad sobre un cuerpo.

Física

Volumen

Espacio que ocupa un cuerpo.

Física

Densidad

Relación que existe entre la masa y el volumen de una sustancia.

Física

Conductividad térmica

Capacidad de un material de transferir calor a través del mismo.

Física

Conductividad eléctrica

Capacidad de un material para dejar pasar (o dejar Eléctrica circular) libremente la corriente eléctrica.

Otro tipo de propiedades relacionadas al comportamiento de los materiales en manufactura son las propiedades tecnológicas de los materiales, algunas de ellas son: la maquinabilidad, la estabilidad térmica dimensional, la resistencia a la cizalladura, la templabilidad, la soldabilidad, la conformabilidad, entre otras. Estas propiedades se asocian con las características que se presentan en un material al ser transformado en producto, ya sea por procesos de conformado, procesos de corte, procesos de unión o procesos de acabado. Las propiedades de los materiales se determinan mediante ensayos de materiales, que son todas las pruebas cuyo fin es determinar las propiedades de un material. Estos ensayos sirven para verificar el cumplimiento de las normas o los estándares establecidos en los materiales para una aplicación y para simular las condiciones a las que va a estar expuesto un material cuando entre en funcionamiento o en servicio. Los ensayos se pueden clasificar en varias categorías de acuerdo con su rigurosidad, efecto y naturaleza. Un ensayo puede pertenecer a

Ensayos y propiedades de los materiales | 11

más de una categoría. En la figura I se muestran algunas de las categorías de ensayos de materiales. Figura I. Categorías de ensayos de materiales Científicos

Se realizan para investigar características técnicas de nuevos materiales

Técnicos

Sirven para comprobar si las propiedades de un material son las adecuadas para una aplicación

Destructivos

La parte de material que es sometida a ensayo se destruye y normalmente se desecha

No destructivos

Prueba practicada a un material. No altera de forma permanente sus propiedades

Químicos

Determina la composición química del material y su comportamiento ante agentes químicos

Físicos

Determina las propiedades físicas

Metalográficos

Analiza la estructura del material mediante microscopía

Mecánicos

Determina la resistencia del material cuando se somete a diferentes esfuerzos

Ensayos de materiales

Rigurosidad

Efecto

Naturaleza

Ejercicio 1: complete los espacios en blanco de la siguiente tabla. Debe especificar una propiedad relevante que tenga el material del cual está hecho el objeto de la aplicación, el nivel de esa propiedad (alto o bajo) y justificar por qué es importante durante el uso del objeto. No considere el factor económico. Aplicación Estructura metálica de una silla

Propiedad y tipo

Justificación

Alta plasticidad (mecánica)

Arcilla para esculturas Alambre de cobre Parachoques de un carro

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Para absorber la energía de impacto en los choques y proteger a las personas que van en el carro

Ejercicio 2: el CTAI compró una impresora 3D para hacer prototipos en polímeros. Debe seleccionar el polímero para imprimir un prototipo entre dos opciones cuyas propiedades se presentan en la tabla II. Tabla II. Propiedades de materiales poliméricos para la impresora 3D Stratasys Object Propiedades

Unidades

Material RGD936

Material RGD525

MPa

70-80

50-65

10-15

10-25

Módulo de Young

MPa

3200-3500

2000-3000

Módulo de flexión

MPa

3100-3500

2200-3200

Tenacidad Izod

J/m

14-16

20-30

Temperatura de transición

°C

62-65

52-54

HRM

78-83

73-78

Tensión a la tracción Porcentaje de elongación

Dureza

Seleccione un material de prototipos para los siguientes casos: a. ¿Cuál material seleccionaría si el prototipo solo debe resistir impactos de alta velocidad y debe ser el más dúctil? b. Si el prototipo requiere la mayor rigidez posible, ¿cuál material seleccionaría? Justifique su respuesta en la tabla III de acuerdo a dos propiedades mecánicas que estén relacionadas con lo requerido en cada caso. Tabla III. Análisis de casos de prototipos de impresora 3D Caso

Material

Justificación

Continúa

Ensayos y propiedades de los materiales | 13

Caso

Material

Justificación

Ejercicio 3: qué tipo de propiedad es la densidad de acuerdo a la clasificación vista (química, mecánica, etc.), y explique por qué la densidad es una propiedad importante para seleccionar materiales que van a ser transportados de un lugar a otro en vehículos que consumen combustible (considere el factor económico). Responda en la tabla IV. Tabla IV. Análisis de la relevancia de la densidad en el transporte de productos y materiales Tipo de Propiedad

Importancia de la densidad de los materiales en el transporte

Ejercicio 4: complete los espacios en blanco con una sola propiedad mecánica de acuerdo al contexto. • El caucho es un material ______________________ porque tiene la capacidad de recobrar su forma cuando cesa la fuente de deformación. • Una campana necesita fabricarse de un material muy ______________________ debido a que requiere alta resistencia al impacto. • Los cerámicos generalmente son materiales __________________ porque se rompen antes de que presenten deformaciones plásticas.

14 | Ensayos y propiedades de los materiales

Ejercicio 5: considere la siguiente información: “Enemigo oculto que deja 10 628 víctimas: entre 1990 y enero de 2014, las minas antipersona han afectado a 6 510 militares y 4 118 civiles en el país” [4]. El Grupo SIRP del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana, diseñó un robot autómata con un brazo mecánico computarizado inteligente, capaz de entrar en terrenos altamente peligrosos, identificar la presencia de minas antipersonas y extraer objetos enterrados. Esta es una opción más segura que el desminado con agentes antiexplosivos, ya que en caso de error no se perderán vidas. Se deben realizar pruebas mecánicas para determinar la resistencia de los materiales de las ruedas del robot y al mismo tiempo reducir costos. Un científico sugirió eliminar los ensayos de tenacidad mientras que otro sugirió eliminar los ensayos de dureza en las ruedas: a. Dé una razón de peso que explique claramente por qué la dureza y la tenacidad son importantes para esta aplicación. b. Justifique cuál de estos análisis eliminaría usted considerando la aplicación. Ambos ensayos tienen el mismo costo y solo puede hacer uno de los dos. Ejercicio 6: se requiere seleccionar el tipo de material para la fabricación de una broca para taladrado de láminas de metal. Una broca es una herramienta de corte difilo (que tiene dos filos), cuya función es formar un orificio o cavidad cilíndrica. Considerando esta aplicación, responda las siguientes preguntas: a. Identifique dos propiedades necesarias que debe tener el material seleccionado para el uso asignado de esta broca (no considere el costo). b. De acuerdo a la aplicación descrita y a las clasificaciones de los materiales vistas en clase, ¿qué tipo de material seleccionaría para la fabricación de la broca? Especifique únicamente un tipo de material. Considere que no tiene a su disposición materiales de tipo compuesto y justifique su respuesta.

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Referencias

[1] J. Newell. Ciencia de los materiales: aplicaciones en ingeniería, 1.ª ed. México: Alfaomega, 2011. [2] D. Askeland. Ciencia e ingeniería de los materiales, 4.ª ed. España: Paraninfo, 2001. [3] W. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 3.ª ed. España: McGraw Hill, 2004. [4] J. Macías, “Enemigo oculto que deja 10 628 víctimas”, [online] El Colombiano, 22 de febrero de 2014. Disponible en: http://www.elcolom biano.com/historico/enemigo_oculto_que_deja_10628_victimasOWEC_283397#.UwnnZEMWxXk.wordpress

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Ensayos y propiedades de los materiales Se terminรณ de imprimir en diciembre de 2017, en los talleres de Javegraf, Bogotรก, D. C., Colombia. Compuesto con tipos Melior e impreso en papel bond blanco de 70 gramos.

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Adriana Aristizábal Castrillón Ingeniera Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería Ambiental y doctora en Ingeniería Química, Ambiental y de

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y el desarrollo de nuevos productos. En Fundamentos de ingeniería

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los principios de la normalización y su importancia a la hora de desarrollar los ensayos de materiales.

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la caracterización y síntesis de materiales y la producción más limpia.

ISBN 978-958-781-127-8

(Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) y del grupo Zentech de la Pontificia Universidad Javeriana.

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9 789587 811278