Fundamentos de Mecánica de Materiales: Propiedades, Tensiones y Fiabilidad en el Diseño

Introducción a la Selección de Materiales y Dimensionamiento

Por lo general, el material se elige antes de dimensionar los elementos, pues la estimación de esfuerzos y deformaciones se basa en las propiedades del material. Hay que considerar también otros aspectos que afectan al material.

Fiabilidad y Factores Críticos en el Diseño Mecánico

Confiabilidad en Ingeniería: Definición y Aplicación

La confiabilidad es una medida estadística de la probabilidad de que un elemento mecánico no falle en servicio. Puede expresarse como la probabilidad de que realice una función adecuada sin problemas. La tarea del diseñador consiste en hacer una selección sensata de los materiales, procesos y dimensiones para lograr un objetivo específico de confiabilidad. Está relacionada con el tiempo de servicio.

Imponderables en el Diseño Mecánico

Al diseñar, es crucial considerar los siguientes factores imponderables:

• Composición del material
• Homogeneidad del material
• Efecto del procesamiento en las propiedades
• Intensidad y distribución de las cargas
• Influencia del tiempo sobre la resistencia y la geometría
• Desgastes y la corrosión

Cálculos y Precisión en Ingeniería

Cálculos y Cifras Significativas en Ingeniería

En los cálculos de ingeniería, es fundamental mantener la precisión:

• No deben usarse menos de tres cifras significativas.
• Los resultados deben llevar el menor número de cifras significativas de los números utilizados para el cálculo.
• Por regla general, se redondea a tres dígitos, por temas de precisión e incertidumbre.
• No se usarán más de cuatro dígitos a la izquierda del punto decimal.

Conceptos Fundamentales de Tensión y Deformación

Tensión Normal

• La tensión debe estar uniformemente distribuida sobre la sección transversal.
• La distribución de la tensión en los puntos extremos de la barra es singular; pueden darse concentraciones de tensiones.
• Deformación lineal: ε = d/L (mm/m)

Tensión y Deformación Uniaxiales

Estas expresiones son válidas para toda carga y material. La deformación debe ser uniforme en barras prismáticas, cargas aplicadas en los centroides y materiales homogéneos.

Tensiones Tangenciales

Son aquellas que actúan tangencialmente a las secciones transversales.

Tensiones de Aplastamiento

Son tensiones de contacto entre las diferentes piezas y elementos de unión. Se suponen distribuidas uniformemente. El área de aplastamiento es el área proyectada de la superficie curva de aplastamiento.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Elasticidad Lineal

El diagrama tensión-deformación comienza con una línea recta. Mientras estemos en el dominio elástico, evitaremos las deformaciones permanentes del flujo plástico.

Ley de Hooke

La relación lineal entre tensiones y deformaciones en el dominio elástico se expresa matemáticamente: σ = E * ε.

Coeficiente de Poisson

Cuando una barra prismática se somete a tracción, el alargamiento axial va acompañado de una contracción lateral. ν = -ε´/ε. Permanece constante en el dominio elástico del material. Para deformaciones laterales constantes, el material debe ser elástico lineal, homogéneo e isótropo.

Flujo Plástico

Ocurren grandes deformaciones en un material dúctil cargado en la región plástica. También pueden fluir plásticamente los cuerpos cargados durante largos periodos de tiempo. Suele ser más importante a altas temperaturas.