Principios Fundamentales de Materiales y Mecánica en Ingeniería Industrial
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Dimensiones y Tolerancias en Ingeniería
Para dimensionar se emplean los siguientes términos:
- Tamaño nominal
- Tamaño para designar un elemento.
- Tamaño básico
- Tamaño teórico exacto.
- Límites
- Dimensiones máximas y mínimas permitidas.
- Tolerancia
- Diferencia entre dos límites.
- Tolerancia bilateral
- Variación en ambas direcciones (+/-) a partir del tamaño básico.
- Tolerancia unilateral
- Cuando se permite la variación en una única dirección.
- Juego (holgura)
- Cuando el elemento interno es de menos diámetro que el externo.
- Apriete (interferencia)
- El opuesto al juego.
- Margen
- Holgura mínima (o interferencia máxima) establecida para piezas ensambladas.
Existen dos sistemas de unidades: el Sistema Internacional (SI) y el Sistema Británico (IPS).
Cálculos y Cifras Significativas
La precisión de los números reales depende del número de cifras significativas que los describen. En ingeniería, se necesitarán tres o cuatro cifras significativas. No deben usarse menos de tres cifras significativas. Los resultados deben llevar el número menor de cifras significativas de los números que se han utilizado para realizar los cálculos.
Resistencia y Rigidez del Material
- Elasticidad
- Es la propiedad por la que un material cargado recupera sus dimensiones originales al ser descargado.
- Plasticidad
- Es la propiedad de los materiales que sufren deformaciones inelásticas más allá del límite elástico.
No existen materiales puramente elásticos o plásticos; se dice que son parcialmente elásticos.
Flujo Plástico
Cuando ocurren grandes deformaciones en un material dúctil cargado en la región plástica, se dice que el material sufre flujo plástico. También pueden fluir plásticamente los cuerpos cargados durante largos periodos de tiempo. El flujo plástico suele ser más importante a alta temperatura.
Elasticidad Lineal y Ley de Hooke
Muchos materiales estructurales se comportan elástica y linealmente en las primeras etapas de carga. El diagrama tensión-deformación, por tanto, comenzará con una línea recta. Si nos aseguramos en el diseño de estructuras y máquinas que trabajamos siempre en el dominio elástico, evitaremos deformaciones permanentes debido al flujo plástico.
La Ley de Hooke establece la relación lineal entre tensiones y deformaciones en el dominio elástico. Se expresa matemáticamente como: σ = Eε.
Cuando una barra prismática se somete a tracción, el alargamiento axial va acompañado de una contracción lateral. La relación entre ambas deformaciones viene dada por el coeficiente de Poisson:
ν = - (def. lineal lateral / def. lineal axial) = - (ε' / ε).
El coeficiente de Poisson permanece constante en el dominio elástico del material. Para un valor dado de carga, las deformaciones lineales laterales serán las mismas en toda la longitud si el material es elástico lineal, homogéneo e isótropo.
Tensiones Tangenciales
Las tensiones tangenciales son aquellas que actúan tangencialmente a las secciones transversales. Son tensiones de contacto entre las diferentes piezas y elementos de unión. Es difícil determinar teóricamente la distribución real de las tensiones de aplastamiento, así que se suponen distribuidas uniformemente. El área de aplastamiento (Ap) es el área proyectada de la superficie curva de aplastamiento. Puede existir cortante doble o simple.
Criterios de Signos para Tensiones y Deformaciones Tangenciales
Una tensión tangencial que actúe sobre una cara positiva de un elemento de volumen es positiva si actúa en la dirección positiva de uno de los ejes coordenados y negativa si actúa en la dirección negativa de un eje. Al contrario en la cara negativa.
La deformación tangencial en un elemento de volumen es positiva cuando el ángulo entre dos caras se reduce. La deformación tangencial es negativa cuando dicho ángulo se incrementa.
El 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 unitaria. Sus consecuencias son:
- El material tiene un punto de fluencia más alto.
- Se reduce la ductilidad como resultado de la disminución en su capacidad de deformación.
- Se dice que la fluencia está endurecida por deformación.
- Aumentando el número de ciclos, el material se vuelve frágil y puede partirse súbitamente.
- Se emplea la reducción del área como medida de la ductilidad y se expresa en porcentaje.
Se define también el factor de trabajo en frío: W = (A0 - Ai') / A0.