Apuntes de Diseño de Máquinas - Juan Marin García.pdf

APUNTES de DISEÑO de MÁQUINAS

Juan M. Marín

ÍNDICE DE CONTENIDOS

Tema Tema Tema Tema Tema Tema Tema Tema Tema

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

FUNDAMENTOS DE DISEÑO MECÁNICO. MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN MECÁNICA. DISEÑO MECÁNICO BAJO CARGAS ESTÁTICAS. FATIGA EN ELEMENTOS DE MÁQUINAS. DISEÑO DE ÁRBOLES Y EJES. DISEÑO DE ENGRANAJES. RODAMIENTOS. TRANSMISIONES FLEXIBLES. ELEMENTOS ROSCADOS.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS

Tema1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO MECÁNICO. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Definiciones. Conocimientos básicos en diseño de máquinas. Fases de un proyecto de diseño mecánico. Procedimientos en diseño. Herramientas en diseño de máquinas. Factores de seguridad. Reglamentos, normas y códigos de diseño.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS. 2.1 Propiedades de los materiales. Ensayo de tracción. Ensayo de compresión. Ensayo de torsión. Ensayo de fatiga. 2.1.1 Propiedades elásticas. Módulo de elasticidad. Relación de poisson. Módulo de rigidez a torsión.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS.

2.1.2 Propiedades físicas. Ductilidad y fragilidad. Tenacidad. Flexibilidad. Dureza. 2.2 Materiales en diseño de máquinas. Aleaciones en diseño de máquinas. Chasis de maquinaria. Fundiciones para chasis de maquinaria. Aceros para chasis de maquinaria. Elementos de la cadena cinemática. Aceros para árboles y ejes. Materiales para poleas y volantes. Materiales para engranajes.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS. 2.3 Tratamientos térmicos en los aceros. Templado. Revenido. Bonificado. Recocido. Normalizado. Tratamientos termoquímicos Cementado. Nitrurado.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS

3.1 Metodología del diseño bajo cargas estáticas. 3.2 Estado de tensiones bidimensional o plano. Tensiones principales. Estado de tensiones. 3.3 Estado de tensiones tridimensional. 3.4 Representación gráfica del estado de tensiones. Círculo de mohr. 3.5 Concentración de tensiones. 3.6 Compresión axial de elementos de máquinas esbeltos. Pandeo. 3.7 Distribución de tensiones bajo distintos tipos de cargas.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 3.8 Teorías de falla estática. 3.8.1 Fallas de materiales dúctiles bajo cargas estáticas. 3.8.1.1 Teoría de la tensión cortante máxima (tresca-guest). 3.8.1.2 Teoría de la energía de distorsión (von mises-henky). 3.8.2 Fallas de materiales frágiles bajo cargas estáticas. 3.8.2.1 Teoría de la tensión tensión normal máxima. 3.8.2.2 Teoría de mohr modificada. 3.9 Recipientes a presión. 3.9.1 Recipientes a presión de forma esférica. 3.9.2 Recipientes a presión de forma cilíndrica.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

Introducción. Mecanismos de la falla por fatiga. Regímenes de fatiga. Modelo de falla por fatiga. Factores de corrección de la resistencia a la fatiga. Diseño para fatiga de alto ciclaje. Diseño para fatiga bajo tensiones alternantes. Diseño para fatiga bajo tensiones fluctuantes.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Introducción. Materiales para el diseño de ejes y árboles. Procesos de fabricación de árboles y ejes. Cargas y tensiones en árboles y ejes. Diseño de árboles y ejes a fatiga.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS

6.1 Consideraciones iniciales. 6.2 Cinemática y dinámica de engranajes. 6.2.1 Fuerzas en engranajes cilíndrico-rectos. 6.2.2 Dimensiones en engranajes cilíndrico-rectos. 6.2.3 Fuerzas en engranajes cilíndrico-helicoidales. 6.2.4 dimensiones en engranajes cilíndrico-helicoidales. 6.3 Fabricación de engranajes. 6.4 Materiales para engranajes. 6.5 Diseño de engranajes cilíndrico-rectos. 6.5.1 Diseño del diente a rotura. 6.5.2 Diseño del diente a fatiga superficial. 6.6 Diseño de engranajes cilíndrico-helicoidales. 6.6.1 Diseño del diente a rotura. 6.6.2 Diseño del diente a fatiga superficial

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 7.1 7.2 7.3 7.4

Rodamientos. definición. Ventajas de los rodamientos. Partes de un rodamiento. Clasificación de los rodamientos. 7.4.1 Según la forma del cuerpo rodante. 7.4.2 Según la dirección de la carga principal. 7.4.3 Según las solicitaciones. 7.5 Rodamientos de bolas. 7.5.1 Rodamientos rígidos de bolas. 7.5.2 Rodamientos de bolas de contacto angular. 7.5.3 Rodamientos oscilantes de bolas (de rótula). 7.5.4 Rodamientos axiales de bolas.

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7.6 Rodamientos de rodillos. 7.6.1 Rodamientos de rodillos cilíndricos. 7.6.2 Rodamientos de rodillos cónicos. 7.6.3 Rodamientos oscilantes de rodillos (de rótula). 7.6.4 Rodamientos axiales de rodillos cilíndricos. 7.6.5 Rodamientos axiales de rodillos a rótula. 7.6.7 Rodamientos de agujas. 7.7 Elección del tipo de rodamiento. 7.7.1 Según la carga que soportan. 7.8 Montaje de rodamientos. 7.9 Cálculo de las dimensiones de un rodamiento.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 7.10 7.11 7.12 7.13

Montaje y ajuste de rodamientos. Lubricación y mantenimiento. Legislación de los rodamientos. Disposiciones comerciales de los rodamientos.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS.

8.1 Introducción. 8.2 Transmisiones por correas. 8.3 Clasificación de las transmisiones por correas. 8.4 Ventajas e inconvenientes de las transmisiones por correas. 8.5 Análisis cinemático y dinámico de las transmisiones por correas. 8.6 Correas. construcción y características. 8.7 Cálculo de transmisiones por correas trapezoidales. 8.8 Transmisiones mediante cadenas de rodillos. 8.9 Directrices para el diseño de transmisiones mediante cadenas de rodillos. 8.10 Ventajas e inconvenientes de las transmisiones mediante cadenas de rodillos. 8.11 Geometría y dimensiones de las ruedas dentadas. 8.12 Cálculo de transmisiones mediante cadena de rodillos.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 9.1 Roscas. definiciones. 9.2 Designación de roscas. 9.3 Rosca triangular. 9.3.1 Rosca triangular iso. 9.3.2 Rosca triangular uns. 9.3.3 Rosca triangular whitworth. 9.4 Rosca cuadrada. 9.5 Rosca trapecial. 9.6 Tornillos de potencia. 9.6.1 Tornillos de potencia. roscas cuadradas. 9.6.2 Tornillos de potencia. roscas trapeciales. 9.7 Eficiencia y autobloqueo. 9.8 Tensiones en la rosca.

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www.fullengineeringbook.net Tema 1. FUNDAMENTOS DE DISEÑO MECÁNICO.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS 1.1 DEFINICIONES. 1.2 CONOCIMIENTOS BÁSICOS EN DISEÑO DE MÁQUINAS. 1.3 FASES DE UN PROYECTO DE DISEÑO MECÁNICO. 1.4 PROCEDIMIENTOS EN DISEÑO. 1.5 HERRAMIENTAS EN DISEÑO DE MÁQUINAS. 1.6 FACTORES DE SEGURIDAD. 1.7 REGLAMENTOS, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO.

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www.fullengineeringbook.net 1.1 DEFINICIONES

DISEÑO: Según la real academia de la lengua: Traza, delineación de un edificio o figura. Descripción o bosquejo de alguna cosa. Bosquejo: Traza primera y no definitiva de cualquier producción del ingenio. En general: Trata de aspectos relacionados con la apariencia estética. En ingeniería: Aplicar diversas técnicas y disciplinas científicas al objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realización. DISEÑO DE MÁQUINAS: Creación de máquinas que funcionen segura y confiablemente bien.

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1.1 DEFINICIONES MÁQUINA: Aparato o dispositivo, formado por elementos mecánicos, que modifican una fuerza o movimiento. INGENIERO EN DISEÑO MECÁNICO: Ingeniero cuyo como principal cometido es definir y calcular movimientos , fuerzas y cambios de energía ; a fin de determinar el tamaño, las formas, materiales necesarios y procesos de fabricación ; para construir los elementos de las máquinas.

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www.fullengineeringbook.net 1.2 CONOCIMIENTOS BÁSICOS EN DISEÑO DE MÁQUINAS

DISEÑO DE MÁQUINAS PROYECTOS EN INGENIERÍA

CINEMÁTICA Y DINÁMICA DE MÁQUINAS

TECNOLOGÍA MECÁNICA Y FABRICACIÓN

RESISTENCIA DE MATERIALES

MECÁNICA VECTORIAL

CIENCIA DE LOS MATERIALES

DISEÑO GRÁFICO

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1.3 FASES DE UN PROYECTO DE DISEÑO MECÁNICO 1- Identificación de necesidad: Enunciado, poco concreto, del problema . 2- Investigación de antecedentes: Concretar detalles del problema o necesidad. 3- Enunciado del objetivo: Rehacer, de manera más razonable y realista, el enunciado del problema. 4- Especificaciones de la tarea: Delimitar el alcance del proyecto. 5- Síntesis: Alternativas posibles de diseño, sin preocuparse de su valor o calidad.

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www.fullengineeringbook.net 1.3 FASES DE UN PROYECTO DE DISEÑO MECÁNICO

6- Análisis: Estudiar las soluciones más viables, desde el punto de vista técnico y económico. 7- Solución: Determinar la solución más prometedora. 8- Diseño detallado: Realizar planos de conjunto y despiece de todos y cada uno de los elementos no normalizados. Justificar las dimensiones de los elementos diseñados. Fijar especificaciones y procesos de fabricación de los distintos elementos. Identificar proveedores. 9- Prototipos y pruebas: Concretar el diseño en la fabricación de un prototipo. Realizar un seguimiento de la fabricación y perfeccionar el diseño si fuera necesario.

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1.3 FASES DE UN PROYECTO DE DISEÑO MECÁNICO

Denominación Alumno:

Hoja de

M aterial

Dimensiones en bruto

Fecha:

Tecnología mecánica Datos tecnológicos

CROQU IS

Vel. de corte (m /m in) Vel. de gir o (r.p.m .) Avance (mm /rev.) Pr ofund. m áx (mm )

Croquis

Control

Denominación

M áq.

Oper.

Herram ientas

Subf.

Hojas de ruta. Órdenes de fabricación. Procesos de trabajo.

Proceso nº:

PROCESO DE TRABAJO

UMH-ELCHE

Fase

10- Producción: Estudio de proceso de fabricación. Estudio de tiempos de fabricación. Elaboración de la documentación asociada al plan de fabricación:

Nº

Vc

pasadas m /m in

n rpm

a mm /v

tp te min

min

Tiem po total (te+ tp):

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www.fullengineeringbook.net 1.3 FASES DE UN PROYECTO DE DISEÑO MECÁNICO

Un proyecto de diseño lo constituyen una serie de fases realimentadas entre sí, las cuales sufren continuas modificaciones hasta perfeccionar el proceso productivo y en definitiva el producto.

La cantidad e importancia de las modificaciones y alteraciones que sufra el producto fabricado sobre el diseño propuesto (paso 8º), será del principal indicador de la calidad del trabajo de ingeniería.

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1.4 PROCEDIMIENTOS EN DISEÑO.

DEFINICIÓN: Definir el problema. Estudio de antecedentes. Fijar datos de partida. Estudio de la reglamentación vigente. Estudio de hipótesis de partida: Consideración de acciones y cargas. Factores de seguridad. Mayoración de cargas. DISEÑO PRELIMINAR: Decisiones preliminares de diseño: Sentido común. Experiencia profesional. Selección de formas y materiales. Diseño de croquis y bosquejos.

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www.fullengineeringbook.net 1.4 PROCEDIMIENTOS EN DISEÑO.

DISEÑO DETALLADO: Modelos matemáticos. Análisis de diseño. Evaluación. DOCUMENTAR RESULTADOS: Proyecto técnico: Memoria descriptiva. Cálculos justificativos. Planos. Pliego de condiciones. Presupuesto.

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1.5 HERRAMIENTAS EN DISEÑO DE MÁQUINAS. DISEÑO GRÁFICO ASISTIDO POR ORDENADOR (CAD): Diseño bidimensional (2D):Planos de fabricación. Vistas ortogonales. autocad (2d), imagineer (2d), pc draft… Diseño tridimensional (3D): Modelado alámbrico: Planos de fabricación generados automáticamente. Generación de vistas ortogonales e isométricas. Modelado sólido: Asociar propiedades de materiales al modelo, lo que permitirá el cálculo de masas, CDG, inercias… Cálculo de interferencias de piezas en ensambles. Módulo de análisis por elementos finitos (FEA). mechanical desktop, inventor, solid edge, catia, i-deas, pro-engineer....

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www.fullengineeringbook.net 1.5 HERRAMIENTAS EN DISEÑO DE MÁQUINAS.

INGENIRÍA ASISTIDA POR ORDENADOR (CAE). Análisis estático: Aplicación de cargas (puntuales, distribuidas...). Obtención de tensiones en cualquier punto de la pieza. Obtención de deformaciones. Análisis cinemático y dinámico Obtención de trayectorias. Obtención de velocidades. Obtención de aceleraciones. Análisis de inercias. Simulación de colisiones. Análisis de vibraciones: Respuesta en frecuencia. Respuesta a choques. Comportamiento frente a cargas térmicas.

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1.6 FACTORES DE SEGURIDAD. Podemos definir FACTOR DE SEGURIDAD, como un número (mayor que la unidad y con un solo decimal), que nos permite cubrir cierta incertidumbre producida en un diseño, debido a: Errores en el modelo matemático. Teoría de falla utilizadas. Características de los materiales utilizados. El valor del factor de seguridad dependerá, fundamentalmente de: Aplicación de la reglamentación vigente. Nivel de confianza del diseñador. Forma de fallar el material (dúctil o frágil).

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www.fullengineeringbook.net 1.6 FACTORES DE SEGURIDAD.

Existen numerosos casos de diseños mecánicos, en los que los factores de seguridad no se encuentran acogidos a ninguna reglamentación concreta. A efectos de orientación, existen tablas de factores de seguridad.

CS dúctil  MAX  A, B , C  CS frágil  2 * MAX  A, B, C 

Es el ingeniero el que asume toda la responsabilidad de proyectar un diseño seguro.

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1.6 FACTORES DE SEGURIDAD. SELECCIÓN ORIENTATIVA DE FACTORES DE SEGURIDAD, PARA MATERIALES DÚCTILES Información disponible

Ensayos de materiales

Condiciones de contorno de utilización de material.

Procedimientos de diseño y modelado analítico utilizados.

Fiabilidad de los datos que se disponen

Factor

El material de diseño ha sido probado en condiciones similares.

A= 1.3

Características mecánicas de probetas del material ensayado.

A= 2

Datos fiables de tablas y catálogos genéricos de materiales.

A= 3

Datos poco fiables de los cuales no sabemos su procedencia.

A> 5

Idénticas condiciones a las del material ensayado.

B= 1.3

La pieza diseñada funcionará en un entorno aislado.

B= 2

Entorno de utilización moderadamente agresivo.

B= 3

Entorno de utilización muy agresivo.

B> 5

Han sido probados científicamente mediante experimentos.

C= 1.3

Representan las condiciones de funcionamiento con precisión.

C= 2

Representan las condiciones de funcionamiento aproximadamente.

C= 3

Representan las condiciones de funcionamiento con poca precisión.

C> 5

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www.fullengineeringbook.net 1.7 REGLAMENTOS, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO.

REGLAMENTO: Compendios de leyes, sobre cuestiones técnicas específicas, de obligado cumplimiento por el proyectista. Reglementos de interés: RSM: Reglamento de seguridad en máquinas. Directiva 98/37/EC RBT: Reglamento electrotécnico para baja tensión. NBA: Normas básicas de instalaciones de agua. CTE (HS4 y HS5) RITE: Reglamento de instalaciones térmicas en edificios. RAP: Reglamento de aparatos a presión. NBE: Normas básicas de la edificación: EA-95: Estructuras de acero en edificación. CTE (SE-A) AE-88: Acciones en la edificación. CTE (SE-AE) EHE-91: Instrucción de hormigón estructural. CPI-96: Protección contra incendios. CTE (SI) NSCE-02: Normativa sismoresistente.

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1.7 REGLAMENTOS, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO. Reglementos de interés: RAQ: Almacenamiento de productos químicos. RAP: Reglamento de aparatos a presión. IPE: Reglamento de instalaciones petrolíferas. RTA: Reglamento de talleres de reparación de automóviles. NORMA: Es un documento técnico, expedido por un organismo de normalización , en el que se precisa un conjunto de condiciones que debe cumplir un material, producto o procedimiento. En general, no son de obligado cumplimiento, excepto cuando un reglamento así lo establece.

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www.fullengineeringbook.net 1.7 REGLAMENTOS, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO.

Normas de interés: ISO: International Standars Organization. ANSI: American National Standars Institute. UNE: Una Norma Española. DIN: Deutches Institut für Normung. BS: British Standards. NF: Normalisation Française. GOST: Gousudarstuenny Komitet Standartov.(Rusia). SIS: Standardiserings Kommissionen I Sverge.(Suecia). JIS: Japanese Industrial Standars Committee. (Japón)

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1.7 REGLAMENTOS, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO.

CÓDIGO DE DISEÑO: Documento técnico, que recoge de manera clara y concisa, las reglas y pasos que debe seguir el proyectista que esté diseñando alguna máquina, estructura o bien industrial concreto. Estos códigos los publican las asociaciones de ingenieros y organismos de normalización. Una de las asociaciones que más se prodiga en la elaboración de códigos de diseño, es la ASME. Destacando por su especial relevancia su código de diseño de recipientes a presión (vol. 8), y el de diseño de ejes.

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www.fullengineeringbook.net 1.7 REGLAMENTOS, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO.

Asociaciones de interés: ASME:American Society of Mechanical Engineers. ASTM: American Society of testing and materials. AWS: American Welding Society. AGMA: American Gear Manufacturers Association. AISI: American Iron and Steel Institute. SAE: Society of Automotive Engineers.

Es obligación de todo ingeniero conocer toda la reglamentación vigente, relativa al proyecto del que sea responsable.

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Tema 2. MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN MECÁNICA.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS.

2.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ENSAYO DE TRACCIÓN. ENSAYO DE COMPRESIÓN. ENSAYO DE TORSIÓN. ENSAYO DE FATIGA. 2.1.1 PROPIEDADES ELÁSTICAS. MÓDULO DE ELASTICIDAD. RELACIÓN DE POISSON. MÓDULO DE RIGIDEZ A TORSIÓN. 2.1.2 PROPIEDADES FÍSICAS. DUCTILIDAD Y FRAGILIDAD. TENACIDAD. FLEXIBILIDAD. DUREZA.

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ÍNDICE DE CONTENIDOS. 2.2 MATERIALES EN DISEÑO DE MÁQUINAS. ALEACIONES EN DISEÑO DE MÁQUINAS. CHASIS DE MAQUINARIA. FUNDICIONES PARA CHASIS DE MAQUINARIA. ACEROS PARA CHASIS DE MAQUINARIA. ELEMENTOS DE LA CADENA CINEMÁTICA. ACEROS PARA ÁRBOLES Y EJES. MATERIALES PARA POLEAS Y VOLANTES. MATERIALES PARA ENGRANAJES.

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www.fullengineeringbook.net ÍNDICE DE CONTENIDOS.

2.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN LOS ACEROS. TEMPLADO. REVENIDO. BONIFICADO. RECOCIDO. NORMALIZADO. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS CEMENTADO. NITRURADO.

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2.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

Para realizar un buen diseño de elementos de máquinas, es esencial el conocimiento y las propiedades de los materiales y sus procesos de fabricación. Las propiedades mecánicas de un material suelen determinarse a través del ensayo destructivo de probetas, bajo condiciones de carga determinadas. No existe garantía de que una pieza construida de un determinado material, ofrezca las mismas propiedades de resistencia de una probeta.

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www.fullengineeringbook.net 2.1.1 ENSAYO DE TRACCIÓN.

Es un ensayo destructivo que consiste, básicamente, en someter a una probeta de dimensiones y condiciones de fabricación normalizadas; a una carga a tracción progresiva, hasta lograr su colapso o falla.

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Lo=K·(So)0.5 (Lo+d/2)