Diseño de Elementos de Máquinas - Robert L. Mott(10)

4

DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Cuarta edición

Robert L. Mott, P. E. University o f Dayton

TR A DUCCION Virgilio G o nzález y Pozo

REVISIÓN TÉC N IC A Sergio S aldaña S án c h e z E S tM E C ulhuacán Instituto Politécnico N acio nal Ángel H ern á n d ez Fernández

ESI M E Culfruacán Instituto Politécnico Nacional Jaim e Villanueva S ánchez Instituto Tecnológico d e C hihuahua

o n Si- jl

México • Argentina • Hraul * Colombia • C osu Rir-* • Chflc ♦ Ecuador España ■ Guatemala ■ Fanami * Perú * !\ierto R ico t U rapas v *Vtneineia

_____________ /

Datos de catalogación bibliográfica

M O T T R O B E R T L. Diseño de elem entos de máquinas

PEARSON EDUCACIÓN, México, 2006 ISBN: 970-26-0812-0 Área: Ingeniería Formato: 20 x 25.5 cm

Páginas: 944

Authorized translañon from the Engiish language cdttion, entiüed Machine eletneñis by Roben L. Moít published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2004, AU rights reserved. ISBN 013061SS53 Traducción autorizada de la edición en idioma ingjés, Machine elemenis por Roben L- Mott, publicada por Pearson Educalion, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC.» Copyright © 2004, Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español

Editor. Pablo Miguel Guerrero Rosas e-mail: pablo.guenrero@pearsoned,com Editor de desarrollo; Bernardino M. Gutiérrez Heraánde2 Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño Edición en inglés Editor In Chief: Stephen Helba Executive Editora Debbie Yamell Editorial A ssistant: Jonathan TenthoEf

Productíon Editor: Louise N. Seite Productíon Supervisión; Carlisle Publishers Services Design Coordinator. Diane Ecnsberger Cover Designer: Jason Mocre Productíon Manager. Brian Fox Marketing Manager: Jimmy Siephens CUARTA ED ICIÓ N , 2006

D.R. © 2006 por Pearson Educación de México, S A. de C.V, Aüacomulco 500-5o, piso Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] Cámara NacionaJ de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Niíhl 1031 Prenrice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni pane de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoqufmíco, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ;

ISBN 970-26-0812-0 Impreso en México. Prinied in México.

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 09 08 07 06

Prefacio El objetivo de este libro es presentar los conceptos, procedimientos, datos y técnicas de análisis de decisiones necesarios para diseñar los elementos de m áquinas que se encuentran con frecuen­ cia en los dispositivos y sistemas mecánicos. Los alumnos q ue term inen un curso y usen este li­ bro deben poder realizar diseños originales de elem entos de máquinas e integrarlos en un sistema más com pleja. Para este proceso se requiere tener en cuenta los requisitos de funcionam iento de un com ­ ponente individual, y las relaciones entre los diversos com ponentes, cuando trabajan juntos for­ mando un sistema. Por ejemplo, se debe diseñar un engrane para transmitir determinada potencia a determ inada velocidad. E l diseño debe especificar la cantidad de dientes, su paso, su forma, el ancho de su cara, su diám etro de paso, el material y el método de tratam iento térmico. Pero tam­ bién ese diseño de engrane afecta y se ve afectado por el engrane vecino, el eje que sostiene al engrane y el entorno en que debe funcionar. A demás, el eje debe estar soportado por cojinetes, los cuales, a su vez, deben estar encerrados en una caja. Por tanto, el diseñador debe tener en mente todo el sistem a al diseñar cada uno de los elementos; enfoque con el que se abordan los los problemas de diseño en este texto. El libro está dirigido a quienes se interesen en el diseño m ecánico práctico. Se subraya el uso de m ateriales y procesos fácilmente asequibles, y métodos de diseño adecuados para obtener un diseño seguro y eficiente. A sum im os que la persona que leerá este libro será el diseñador; es­ to es, el responsable de determ inar la configuración de una máquina, o parle de ella. Siempre que sea práctico se especificarán todas las ecuaciones, datos y procedim ientos necesarios para elaborar el diseño. Esperam os que los alumnos q ue consulten este libro tengan conocim ientos básicos sobre estática, resistencia de materiales, álgebra y trigonom etría de nivel bachillerato. Seria útil, aun­ que no es un requisito, tener conocim ientos de cinem ática, m ecanismos industriales, dinámica, ciencia de materiales y procesos de m anufactura. Entre las cualidades que sobresalen en este libro están las siguientes: 1. Está pensado para que pueda consultarse en un prim er curso de diseño de m áquinas, a nivel licenciatura. 2. L a am plia lista de tem as perm ite que el instructor encuentre opciones para diseñar su curso; el formato es adecuado para una secuencia de dos cursos, y com o referencia pa­ ra cursos de proyectos de diseño mecánico. 3. Q ue los alumnos aum enten sus capacidades al desarrollar temas que no se cubren en las aulas, con la ventaja de que tas explicaciones de los principios son directas, y se in­ cluyen m uchos problem as modelo. 4. La presentación práctica del material conduce a decisiones de diseño viables y que pueden utilizarse en la práctica. 5. El libro propicia el m anejo de hojas de cálculo Cy lo dem uestra con su empleo) en ca­ sos donde se presentan problemas cuya solución es larga y laboriosa. Con el uso de las hojas de cálculo, el diseñador puede tom ar decisiones y m odificar datos en varios puntos del problema, mientras la com putadora realiza todos los cálculos. Vea el capí­ tulo 6 , acerca de las colum nas; el 9, sobre engranes rectos; el 12, referente a los ejes; el 13, sobre ajustes encogidos, y el 19, referente al diseño de resortes. También se pueden em plear otros programas de cálculo por computadora.

iii

¡V

Prefacio

6 . Referencias a oíros libros, normas y artículos técnicos, los cuales ayudan (al profesor) a presentar métodos opcionales, o en la profundidad del tratam iento de los temas, 7. Listas de sitios en Iniemet, relacionados con los temas de este libro, al final de la m a­ yor parte de los capítulos. Muy úii les para conseguir información o datos adicionales acerca de los producios comerciales. 8. Además del énfasis en el diseño original de elem entos de máquinas, gran parte de la descripción se refiere a elementos de m áquinas que se consiguen com ercialm enle, ya que en muchos proyectos de diseño se requiere una combinación óptima de partes nue­ vas, de diseño exclusivo, o de componentes comprados. 9. En algunos temas, se enfoca la atención en la ayuda al diseñador para que seleccione componentes disponibles en el comercio, como los rodamientos, acoplam ientos flexi­ bles, lomillos de bolas, molotes eléctricos, transm isiones por bandas, dispositivos de cadena, embragues y frenos. 10. En los cálculos, y para resolver los problemas planteados, se manejan tanto el Sistema Internacional de Unidades (SI) como el sistema inglés (pulgada-libra-segundo), casi en la mism a proporción. La referencia básica para m anejar unidades del SI se en­ cuentra en la norma IE E E /A ST M -SI-10 Standardfar Use o f the ¡ m e m a ü o n a l System o f Units (SI): The M o d em M eiric System, que sustituyó las normas ASTM E380 y A NSI/ IEEE 268-1992. 11. Extensos apéndices y labias detalladas en muchos capítulos, para ayudar al lector a que tome decisiones reales de diseño, consultando sólo este libro.

MDESIGNPROGRAMA DE DISEÑO MECÁNICO QUE SE INCLUYE EN ESTE LIBRO

El diseño de elemenios de máquinas implica, en forma inherente, procesos extensos, cálculos com ­ plejos y muchas decisiones de diseño, y deben encontrarse datos en num erosas tablas y gráfi­ cas. Además, en el caso típico, el diseño es iterativo y requiere que el diseñador pruebe con varias opciones para determinado elemento, y repita los cálculos con datos nuevos o decisiones nuevas de diseño. Esto es especialmente válido para los dispositivos mecánicos com pletos, los cuales poseen varios componentes cuando se tienen en cuenta las relaciones entre ellos. Con frecuencia, los cam bios a un componente requieren m odificaciones a los elementos que entran en contacto con él. El uso de programas de cómputo para diseño m ecánico facilita el proceso de diseño ya que ejecuia muchas de las tareas y deja las principales decisiones a la creatividad y el juicio del diseñador o del ingeniero. S u b ray a m o s que los u su ario s de p ro g ra m a s de cóm puto deben c o m p re n d e r bien los p rin cip io s del diseño, haciendo h in cap ié en el análisis p a ra a s e g u ra r que las decisiones se basen en cim ientos Sables. R ecom endam os que sólo se em pleen los p ro g ram a s después de d o m in ar d ete rm in a d a m etodología del diseño, y de h a b e r estudiado y aplicado con cuidado las técnicas m anuales. El libro incluye un CD con el programa de diseño mecánico MDESIGN, creado por TEDATA Company. Esiá tomado del program a M DESIGN mee, producido para el m ercado euro­ peo; la versión para Estados Unidos em plea normas y métodos de diseño que se usan de manera general en América del Norie. M uchas de las ayudas textuales y procedimientos de diseño se originaron en este libro. Los temas para los que se puede em plear el programa M DESIGN como suplem ento de este libro, comprenden: Análisis de esfuerzos en vigas Trasmisiones por bandas Ejes Rodamientos Embragues

Deflexiones de vigas

Círculo de Mohr

Transmisiones por cadenas Engranes rectos Cuñas Husillos Cojinetes de superficie Uniones atornilladas (lisos) Frenos

Columnas Engranes helicoidales Resortes Tomillos

Prefacio

v Iconos especiales, como el de M DESIGN de la página anterior, aparecen al margen, en lugares de este libro donde se considera adecuado em plear el programa. (El M anual de solucio­ nes, en inglés y sólo disponible para los profesores que usen este libro en clases programadas, contiene una guía para usar el programa.) Para tener acceso a los apoyos didácticos de esta obra, contacte a su representante local de Pearson Educación.

CARACTERÍS­ TICAS DE LA CUARTA EDICIÓN

En esta edición se conserva y perfecciona el método práctico para diseñar elementos de m áqui­ nas en el contexto de los diseños mecánicos com pletos. Se ha actualizado el texto con la inclu­ sión de nuevas fotografías de com ponentes de máquinas disponibles en el comercio, nuevos datos de diseño para algunos elementos, normas recientes o corregidas, nuevas referencias al fi­ nal de cada capítulo, listas de sitios de Internet y algunos elementos totalmente inéditos. La si­ guiente lista resum e las principales características y actualizaciones. 1. Se ha conservado la estructura del libro, en tres panes, introducida en la tercera edición. ■ Parte I (capítulos 1-6): se orienta a repasar y actualizar la comprensión de las filo­ sofías del diseño, por parte del lector, así como los principios de la resistencia de materiales, las propiedades de los materiales en el diseño, los esfuerzos com bina­ dos, el diseño para diversos tipos de carga y el análisis y diseño de columnas. ■ Parte H (capítulos 7-15); está organizado en tom o al concepto del diseño de un sis­ tema completo de transmisión de potencia, y cubre algunos de los elementos princi­ pales de máquinas, como transm isiones por bandas, transm isiones por cadenas, ejes, cuñas, acoplam ientos, sellos y rodamientos. Esos temas se vinculan entre sí para subrayar tanto sus interrelaciones com o sus características únicas. El capítulo 15, Terminación del diseño de u n a transmisión de potencia, es una guía para la toma de decisiones en un diseño detallado, com o la distribución general, los dibu­ jos de detalle, las tolerancias y los ajustes. ■ Parte HI (capítulos 16-22): presenta métodos de análisis y diseño de varios elemen­ tos de máquina importantes que no se vieron en el diseño de una transm isión de po­ tencia. E s io s capítulos se pueden cubrir en cualquier orden, o bien se pueden utilizar com o material de referencia para proyectos generales de diseño. A quí se describen engranes rectos, elem entos de m ovimiento lineal, tomillos o sujetadores, resortes, armazones de máquinas, uniones atornilladas, uniones soldadas, motores eléctricos, controles, em bragues y frenos. 2. Las secciones Panorama, Usted es el diseñador y Objetivos, introducidas en las edi­ ciones anteriores, se conservan y perfeccionan. Fue muy favorable la opinión entusiasta de los lectores, tanto alumnos como profesores, acerca de e su s características. Ayudan al lector a establecer relaciones con base en su propia experiencia, y a apreciar los co­ nocimientos que adquirirán al estudiar cada capítulo. Este método está respaldado por las teorías construciivistas del aprendizaje. 3. Algunos de los temas actualizados, en los capítulos individuales, se resumen como sigue: ■ En el capítulo 1, se perfeccionó la descripción del proceso de diseño m ecánico y se agregaron fotografías recientes. Se incluyen sitios de Internet para diseño m ecáni­ co, útiles en capítulos posteriores. Algunos se refieren a organizaciones normativas, programas de análisis de esfuerzos y bases de datos de consulta sobre una amplia variedad de productos y servicios técnicos. ■ El capítulo 2, M ateriales en el diseño m ecánico, fue m ejorado en forma notable; se le agregó inform ación sobre fluencia (deform ación gradual), hierro dúctil austemplado (tem plado desde bainita, ADI, de austem pered ductile ¡ron), tenacidad, energía de im pacto y algunas consideraciones especiales para seleccionar plásticos. A dem ás, se incorporó una sección totalm ente nueva sobre la selección de m ate­ riales. La extensa lista de sitios de Internet'perm ite a los lectores el acceso a datos

Prefacio

industriales sobre, virtualmente, todo tipo de material descrito en el capítulo, donfle algunos aspectos se vinculan a nuevos problem as prácticos. ■ El capítulo 3, A nálisis de esfnerzos y deform aciones, tiene un agregado donde se repasa el análisis de fuerzas, y se depuran los conceptos de los elem entos del es­ fuerzo, los esfuerzos normales com binados y las vigas con mom entos de flexión concentrados. ■ El capítulo 5, D iseño para distintos tipos de carga, se actualizó y m ejoró en for­ ma sustancial en los temas de resistencia a la fatiga, filosofía de diseño, factores de diseño, predicciones de fallas, perspectiva de los enfoques estadísticos en el dise­ ño, duración finita y acum ulación de daño. Se cam bió el método recom endado de diseño para fatiga: del Criterio de Soderberg al M étodo de Goodman. Se agregó el M étodo de M ohr m odificado para m iem bros fabricados con materiales frágiles. ■ En el capítulo 7 se agregaron las transm isiones por bandas síncronas, y se incluye­ ron nuevos datos de potencias nominales por cadenas. ■ El capítulo 9, Diseño de engranes rectos, se mejoró con la incorporación de nuevas fotografías de maquinaria para tallado de engranes, recientes normas de la AGMA para calidad de engranes, detalladas descripciones de la medición funcional de la calidad del engrane, minuciosa descripción del factor I para resistencia a la picadu­ ra, más información sobre lubricación de engranes y una sección aum entada sobre engranes de plásticos. ■ El capítulo 11, muestra inform ación actualizada sobre cubos sin cuñas, en las unio­ nes de los tipos Ringfeder® y poligonal para eje, así como sobre la junta universal Cornay™. L a extensa lista de sitios de Internet proporciona acceso a datos para cu­ ñas, acoplamientos, juntas universales y sellos ■ Al capítulo 12, Diseño de ejes, se le añadió inform ación sobre las velocidades crí­ ticas, otras consideraciones dinámicas y ejes flexibles. ■ Al capítulo 16, Cojinetes de superficie plana, se le agregó una sección totalm en­ te nueva “Tribología: Fricción, lubricación y desgaste". Se proporcionan más datos sobre factores p V para cojinetes lubricados en contorno. ■ Se ha conservado el capítulo 17, E lem entos con m ovim iento lineal, el cual com ­ prende aspectos sobre los husillos (tom illos m otrices), tom illos de bolas y actuadores lineales. ■ Entre las mejoras al capítulo 18, S u je ta d o re s , están la resistencia de las roscas al cortante, los com ponentes del par torsional aplicado a un tom illo y los métodos de apriete de tomillos.

Reconocimientos Extiendo mi aprecio a quienes me hicieron útiles sugerencias para mejorar este libro. Agradezco al personal editorial de Prentice Hall Publishing Company, a quienes proporcionaron las ilustra­ ciones y a los m uchos lectores del libro, tanto profesores com o alumnos, con quienes he tenido intercambio de ideas. Mi aprecio especial a mis pares de la Universidad de D ayton, profesores David M yszka, /am es Penrod, íoseph Untener, Philip D oepker y Robert Wolff. También agra­ dezco a quienes hicieron las exhaustivas revisiones de la edición anterior: M anan Barasch, del H udson Valley Com raunity College; Ismail Fidan, de la Tennessee Tech University', Paul Unangsu de la Milwaukee School o f Engineering; R ichard AJexander, de la Texas A & M Uni­ versity y a Gary Qi, de The University o f M emphis. A gradezco en especial a mis alumnos, an­ teriores y actuales, por su entusiasm o y retroalim entación positiva sobre este libro. R o b e n L M oít

Contenido PARTE I

1

Principios de diseño y análisis de esfuerzos 1

La naturaleza del diseño mecánico

Panoram a

2

3

Usted es el diseñador

9 9

2-9

Aceros para herram ientas

2-10

H ierro colado

2-11

M etales pulverizados

2-12

A lum inio

54

54 56

57

2-13

Aleaciones de zinc

2-14

Titanio

59

2-15

Cobre, latón y bronce

2-16

A leaciones a base de níquel

2-17

Plásticos

60 60

1-1

Objetivos de este capítulo

1-2

El proceso del diseño m ecánico

1-3

C onocim ientos necesarios en el diseño m ecánico 11

2-18

M ateriales compuestos

65

2-19

Selección de materiales

77

1-4

Funciones, requisitos de diseño y criterios de evaluación 11

Referencias

1-5

Ejem plo de la integración de los elem entos de m áquina en un diseño m ecánico 14

9

1-6

Ayudas de cómputo en este libro

1-7

Cálculos de diseño

1-8

Tamaños básicos preferidos, roscas de tom illos y perfiles estándar 18

1-9

Sistemas de unidades

1-10

Diferencia entre peso, f u e r a y masa

R eferencias

Problem as

2

3

24

27

Panoram a

29

30

85

O bjetivos de este capítulo

3-2

Filosofía de un diseño seguro

3-3

Representación de esfuerzos en un elem ento de esfuerzos 89

3-4

Esfuerzos directos: tensión y com presión

90

3-5

Deformación bajo una carga axial directa

92

3-6

Esfuerzo cortante directo

3-7

Relación entre par de torsión, potencia y

31

velocidad de giro

2-1

O bjetivos de este capítulo

2-2

Propiedades de los materiales

2-3

Clasificación de metales y aleaciones

2-4

Variabilidad de los datos sobre propiedades de los materiales

84

3-1

28

Usted es el diseñador

Análisis de esfuerzos y deformaciones 83

Usted es el diseñador 26

Materiales en el diseño mecánico

Panoram a

79

80

17

17

27

Sitios de Internet

78

Sitios de Internet Problem as

32 32 44

2-5

A cero al carbón y aleado

2-6

Condiciones para aceros y tratamiento térmico

2-7

Aceros inoxidables

2-8

Acero estructural

54

46

89 89

92

94

3-8

Esfuerzo cortante torsional

3-9

D eform ación por torsión

3-10

45

53

61

61

95 97

Torsión en m iembros con sección transversal no circular

98

3-11

Torsión en tubos cebados de pared delgada

3-12

Tubos abiertos y com paración con los tubos

49

cerrados

100

100

3-13

Esfuerzo cortante vertical

3-14

Fórm ulas especiales de esfuerzo cortante

102 104

C ontenido

viii 3-15

Esfuerzo debido a flexión

3-16

Cencro de flexión para vigas

3-17

Deflexiones en vigas

3-18

Ecuaciones para la forma de la viga flexionada

105 107

108

110

Vigas con momentos de flexión concentrados Esfuerzos normales combinados: principio de superposición 117

112

3-21

Concentraciones de esfuerzos

Sensibilidad a la muesca y facior de reducción de resistencia 122

119

123

Esfuerzos combinados y el círculo de Mohr 135 136 136

4-2

Caso general de esfuerzos combinados

4-3

El circulo de M ohr

4-4

Problemas prácticos para el círculo de M ohr

4-5 4-6

M étodos estadísticos para el diseño

5-13

Vida finita y método de acumulación de daños

6

213

219

Columnas

229

230

138 138

Objetivos de este capítulo

6-2

Propiedades de la sección transversal de una columna 232

231

6-3

Fijación de un extremo y longitud efectiva

6-4

Relación de esbeltez

6-5

Relación de esbeltez de transición

6-6

Análisis de columnas largas: la fórmula de Euler

6-7

Análisis de columnas cortas: la fórmula de J. B.

145

Johnson 151

231

6-1

234

Formas eficientes de sección transversal de

El circulo de M ohr para condiciones especiales de esfuerzos 158

6-10

Diseño de columnas

6-11

Columnas torcidas

6-12

Columnas con carga excéntrica

Análisis de condiciones complejas de carga

161

162

R eferencias 162

P ro b lem as

P a n o ra m a

244 245 250 251

257 257

162

Diseño para distintos tipos de carga 163

PARTE II

164

U sted es el d iseñ a d o r

Diseño de una transmisión mecánica 261

166

5-1

Objetivos de este capítulo

5-2

Tipos de carga y relación de esfuerzos

5-3

Resistencia a la fatiga

7

166

Resistencia a la fatiga real estimada, s'

Transmisiones por bandas y por cadenas 264

166 P a n o ra m a

172 173

265

U sted es el d iseñ a d o r

267

Problem as ejem plo para estimar la resistencia a 1a fatiga real 181

7-1

Objetivos de este capítulo

7-2

Tipos de transm isiones por bandas

Filosofía de diseño

7-3

Transm isiones por bandas en V

182

235

239

6-9

columnas

232

234

Un caso: cuando ambos esfuerzos principales tienen el mismo signo 155

P roblem as

214

218

Hoja de cálculo para análisis de columnas

Sitios de In te rn e t

5-6

197

200

6-8

R eferencias

5-5

193

5-12

P a n o ra m a

Objetivos de este capítulo

5-4

Ejemplos de diseño

U sted es el d is e ñ a d o r

4-1

5

186

Procedimiento general de diseño

P ro b lem as

123

U sted es el d iseñ a d o r

4-7

185

123

Sitios de In te rn e t

P a n o ra m a

M étodos de análisis de diseñas

R eferencias

3-22

4

5-9

5-11

3-20

P roblem as

Factores de diseño Predicciones de falla

5-10

3-19

R eferencias

5-7 5-8

267 268

269

241

C ontenido

ix

7-4

D iseño de transm isiones por bandas en V

7-5

Transm isiones p or cadenas

7-6

Diseño de transmisiones de cadenas

R eferencias

v.- 8

298

298

300

301

U sted es el d iseñ a d o r 8-1

9-11

285

306

Estilos de engranes rectos

8-3

G eom etría de los engranes rectos: forma involuta del diente 307

306

Nomenclatura y propiedades del diente de engranes rectos 308 Interferencia entre dientes de engranes rectos

320

Relación de velocidades y trenes de engranes

322

8-7

Geom etría de los engranes helicoidales

329

8-8

Geom etría de los engranes cónicos

333

8-9

Tipos de engranes de tomillo sinfín

339

8-10

Geom etría del tom illo y engrane sinfín

8-12

Valor de tren para trenes de engranajes complejos 347

8-13

Proposición de trenes de engranajes

R eferencias

P ro b lem as

V9

Diseño y análisis de engranes rectos asistido por com putadora 415

9-15

Uso de la hoja de cálculo para el diseño de engranes rectos 419

358

363

364

9-16

Capacidad de transmisión de potencia

Consideraciones prácticas para engranes y su interfase con otros elementos 430

9-18

Engranes de plástico

P ro b lem as

’ 10

Objetivos de este capítulo

9-2

Conceptos de los capítulos anteriores

9-3

Fuerzas, par torsional y potencia en engranes

9-4

M anufactura de engranes

9-5

Calidad de engranes

365 366

443

444

Engranes helicoidales, cónicos y de tornillo sinfín y corona 449 450

9-6

Nüm eros de esfuerzo admisibles

M ateriales de los engranes metálicos

9-8

Esfuerzos en los dientes de engranes

9-9

Selección del material del engrane con base en el esfuerzo flexionante 394

378 379

452

10-2

Fuerzas sobre los dientes de engranes helicoidales

452

10-3

Esfuerzos en los dientes de engranes helicoidales

455

10-4

R esistencia a la picadura de los dientes de engranes helicoidales 459

10-5

D iseño de engranes helicoidales

10-6

Fuerzas en los engranes cónicos rectos

10-7

Cargas sobre los cojinetes de ejes en engranes cónicos 465

10-8

M om entos ñejdonantes en ejes de engranes cónicos 470

10-9

Esfuerzos en los dientes de engranes cónicos rectos 470

10-10

Diseño de engranes cónicos por resistencia a la picadura 473

10-11

Fuerzas, fricción y eficiencia en conjuntos de tom illo sinfín y corona 475

10-12

Esfuerzos en los dientes de tom illos sinfines y coronas 481

10-13

Durabilidad de la superficie en transmisiones de

372

9-7

434

442

Objetivos de este capítulo

367

370

428

10-1

365

9-1

407

9-17

350

357

U sted es el d is e ñ a d o r

9-14

U sted es el d iseñ a d o r

357

Diseño de engranes rectos

P a n o ra m a

Diseño de engranes con el sistema de módulo métrico 413

P a n o ra m a 341

G eometría típica de los conjuntos de sinfín y corona 344

Sitios d e In te rn e t

9-13

Sitios de In te rn e t

8-5

402

Diseño de engranes rectos

R eferencias

8-6

8-11

Selección del material del engrane con base en el

9-12

305

Objetivos de este capítulo

8-2

8-4

Resistencia a la picadura de los dientes de engranes 399 esfuerzo de contacto

Cinemática de los engranes

P a n o ra m a

9-10

296

Sitios de In te rn e t P roblem as

272

283

tom illo sinfín y corona

v> OO

R eferen cias

4-88

Sitios de In te rn e t P ro b lem as

489

489

452

482

460 463

X

-i 11

C ontenido

Cuñas, acoplamientos y s'ellos

P a n o ra m a

13

491

P a n o ra m a

492

U sted es el d ise ñ a d o r

Objetivos de este capítulo

11-2

Cuñas

11-3

M ateriales para las cufias

11-4

Análisis de esfuerzos para determ inar la longitud de las cuñas 499

11-6 11-7 11-8 11-9

494

577

13-1

Objetivos de este capítulo

13-2

Factores que afectan las tolerancias y los ajustes 578

13-3

Tolerancias, procesos de producción y costos

13-4

Tamaños básicos preferidos

498

Ajustes de holgura

Otros métodos para fijar elem entos en los ejes 508

Ajustes de interferencia

13-7

Ajustes de transición

A coplam ientos

13-8

Esfuerzos en ajustes forzados

13-9

M étodos generales para asignar tolerancias

13-10

D iseño de producto robusto

503

513

Juntas universales

516

Anillos de retención y otros métodos de localización axial 518

525

P ro b lem as

14

527

528

12-3

Diseño de ejes

530

531 532

O bjetivos de este capítulo

532

Procedim iento para diseñar ejes

532

Fuerzas que ejercen los elem entos de máquinas sobre los ejes 535

12-4

C oncentraciones de esfuerzos en los ejes

12-5

Esfuerzos d e diseño para ejes

12-6

Ejes sólo som etidos a flexión y a torsión

540

543

12-7

Ejem plo de diseño de un eje

12-8

Tamaños básicos recom endados para los ejes 552

546

548

12-9

Ejem plos adicionales de diseño

12-10

Hoja de cálculo auxiliar en el diseño de ejes

561

12-11

Rigidez del eje y consideraciones dinám icas

562

12-12

Ejes flexibles

R eferen cias

563

564

S itios de In te rn e t P ro b lem as

591

592

595

Cojinetes con contado de rodadura

P a n o ra m a

U sted es el d is e ñ a d o r

12-2

587

594

565

553

599

14-1

Objetivos de este capítulo

14-2

Tipos de cojinetes con contacto de rodadura

14-3

Rodam ientos de em puje

604

14-4

Rodam ientos m ontados

604

14-5

M ateriales de los rodam ientos

14-6

Relación entre carga y duración

14-7

Datos de los fabricantes de rodam ientos

14-8

Duración de diseño

14-9

Selección de rodamientos: sólo cargas radiales

14-10

Selección de rodamientos: caigas radiales y de empuje, com binadas 614

600 600

606 606 606

611 613

14-11

M ontaje de los rodam ientos

14-12

Rodam ientos de rodillos cónicos

14-13

C onsideraciones prácticas en la aplicación de los rodam ientos

616 618

621

14-14 Im portancia del espesor de la película de aceite en los rodam ientos 14-15

624

Cálculo de !a duración bajo cargas variables

R eferen cias 564

597

598

U sted es e l d ise ñ a d o r

12-1

585

586

526

Sitios d e In te rn e t

P a n o ra m a

581

594

Sitios de In te rn e t

M ateriales de los sellos

P ro b lem as

R eferen cias

521

578

581

13-6

R eferencias

^12

577

13-5

Estrias

11-10 Tipos de sellos 11-11

493

575

576

U sted es el d is e ñ a d o r

493

11-1

11-5

Tolerancias y ajustes

627

Sitios de In te rn e t P ro b lem as

628

627

625

C ontenido

15

XÍ

Terminación del diseño de una transmisión de potencia 630

P a n o ra m a

631

15-1

Objetivos de este capítulo

15-2

Descripción de la transmisión de potencia a diseñar 631

15-3

631

17-1

Objetivos de este capítulo

17-2

Tom illos de potencia

17-3

Tom illos de bolas

17-4

C onsideraciones de aplicación para tom illos de potencia y tomillos de bolas 707

R eferen cias

Alternativas de diseño y selección del m étodo de diseño 633

709

709

15-4

Opciones de diseño para el reductor de engranes

15-5

Proposición general y detalles de diseño del reductor 635

P a n o ra m a

Detalles finales de diseño para [os ejes

U sted es el d iseñ a d o r

15-6

635

652

18

704

709

Sitios de In te rn e t P ro b lem as

698

699

Sujetadores

711

712 713

18-1

Objetivos de este capítulo

657

18-2

M ateriales para pernos y sus resistencias

Sitios de In te rn e t

18-3

Designaciones de roscas y área de esfuerzo

18-4

Carga de sujeción y apriete de las uniones atornilladas 719

PARTE III Detalles de diseño y otros elementos de máquinas 659

18-5

Fuerza aplicada externamente sobre una unión atornillada 722

18-6

Resistencia al arranque de rosca

16

18-7

Otros tipos de sujetadores y accesorios

18-8

Otros métodos de sujeción y unión

15-7

Dibujo del conjunto

R eferencias

657

Cojinetes de superficie plana

P a n o ra m a

660

661

R eferen cias

U sted es el d iseñ a d o r 16-1

655

663 663

P ro b lem as

714 717

723 724

726

727

Sitios de In te rn e t

Objetivos de este capítulo

714

727

728

16-2

La tarea de diseñar un cojinete

663

16-3

El parámetro nn/p del cojinete

665

16-4

M ateriales para cojinetes

16-5

Diseño de cojinetes coa lubricación

16-6

Cojinetes con lubricación hidrodinám ica de película com pleta 674

19-1

Objetivos de este capítulo

19-2

Tipos de resortes

Diseño de cojinetes con lubricación hidrodinám ica de película com pleta

19-3

R esones helicoidales de compresión

19-4

Esfuerzos y deflexiones en resortes helicoidales de compresión 744

16-7 16-8 16-9 16-10

C ojinetes hidrostáticos

P ro b lem as

683

P a n o ra m a

687

691 692

695

U sted es el d is e ñ a d o r

730

694

732

732 735

19-5

A nálisis de las características de los resortes

746

Diseño de resortes helicoidales de compresión

749

19-7

R esortes de extensión

19-8

R esortes helicoidales de torsión

19-9

Perfeccionam iento de tos resortes mediante rem achado p or m unición 769

19-10

Fabricación de resortes

R eferen cias

770

Sitios de In te rn e t 698

731

19-6

693

Elementos con movimiento lineal

729

U sted es el d iseñ a d o r

675

Tribología: Fricción, lubricación y desgaste

Sitios d e In te rn e t

Resortes

P a n o ra m a 668

Consideraciones prácticas para los cojinetes de superficie plana 682

R eferencias

17

'Z 19

666

P ro b lem as

771

770

757

770

762

C ontenido

xíí

20

Bastidores de máquina, conexiones atornilladas y uniones soldadas 773

P a n o ra m a

774

U sted es el d is e ñ a d o r 20-1

Objetivos de este capítulo

775

Bastidores y estructuras de m áquinas

20-3

Juntas atornilladas y con cargas excéntricas U niones soldadas

R eferencias

Tipos de embragues y frenos de fricción

22-4

Parámetros de funcionam iento

Tiem po necesario para acelerar una carga

Inercia de un sistem a en función de la velocidad del eje del em brague 844

22-7

Inercia efectiva de cuerpos en m ovimiento lineal 845

22-8

Absorción de energía: necesidades de disipación de calor 846

22-9

Tiem po de respuesta

783

792

P ro b lem as

21

792

22-11

793

Motores eléctricos y controles

Panoram a

U sted es el d ise ñ a d o r

21-2

Factores de selección de motores

Principios de operación de los motores de inducción para CA 800

21-5

Funcionam iento del motor de CA

21-6

M otores trifásicos de inducción, de jaula de ardilla 803

21-7

M otores monofásicos

21-8

Tipos de armazones y cajas para motores de CA 808 Controles para m otores de CA

21-10

Corriente directa

21-11

M oiores de corriente direcia

22

864

868

A-1

A p én d ice

I

P ropiedades d e las áreas

A p én d ice

2

Tam años y roscas básicos preferidos

A p é n d ice

3

P ropiedades d e diseño para los aceros

A p én d ice

4

P ropiedades de los aceros con

A p é n d ice

5

A p é n d ice

6

P ropiedades de los aceros

A p é n d ice

7

P ropiedades de los aceros

A p én d ice

8

de tom illos

811

824

inoxidables

827

831

22-2

Descripciones de los embragues y los frenos

A -J2

833 833

A-13

Propiedades de diseño para el hierro colado

833

Objetivos de este capítulo

A -11

estructurales

830

A -8

P ropiedades de los aceros c em entados

827

22-1

A -6

tratam iento térm ico

824

A -1

A-3

al c arbón y aleados

821

826

U sted es el d iseñ a d o r

867

Objetivos de este capítulo 868 Proyectos de diseño

Apéndices

820

Embragues y frenos

P a n o ra m a

23-2

862

865

Proyectos de diseño

23-1

802

21-12 Control de m otores de corriente directa

P roblem as

P ro b lem as

23

806

21-9

Sitios de In te rn e t

855 860

864

Sitios d e In te rn e t

798

21-4

Otros tipos de motores

Frenos de banda

R eferencias

797

Energía de corriente alterna e información general sobre motores de CA 799

R eferencias

Frenos de disco calibrador 854 Em brague o freno de cono 854

22-16 Otros tipos de embragues y frenos

797

Objetivos de este capítulo

21-13

22-12 22-13

22-15

849

Em brague o freno de placa 851

22-14 Frenos de tambor

796

21-1

21-3

795

841

847

22-10 Materiales de fricción y coeficientes de fricción Sitios de In te rn e t

*

22-5

776 780

835

840

22-6 775

20-2

20-4

22-3

A - 14

A péndice 9

Propiedades típicas del alum inio

A p én d ice 10

Propiedades típicas de las aleaciones de zinc colado

A -16

A-15

xiii

C ontenido

A p é n d ic e 11

Propiedades de las aleaciones de titanio A - 16

A p én d ice 17 A p é n d ice 18

F actores de conversión

A p é n d ice 12

P ropiedades de los bronces

A p é n d ic e 19

Tabla de conversión de durezas

A p é n d ic e 13

Propiedades típicas de algunos

A p é n d ic e 20

Factor de geom etría / p a ra picadura en

plástico s seleccionados

A - 17

A - 17

Perfiles estaicturales de alum inio

engranes recto

A péndice 14

Fórm ulas para deflexión de vigas

A p é n d ice 15

Factores de concentración de esfuerzos A-27

A p é n d ice 16

Perfiles estructurales de acero

A-18

A -3 1

Respuestas a problemas seleccionados R-44 índice

1-1

A -41

A-37

A-39 A -40

PARTE I

Principios de diseño y análisis de esfuerzos

OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA PARTE I

C uando term ine de estu d iar los seis prim eros capítulos de este libro com prenderá las filo* sofías de diseño y aplicará los principios de resistencia de m ateriales, ciencia de materiales y procesos de m anufactura, que ya había aprendido antes. L a destreza adquirida en é stü capítulos le será útil en todo el libro, y en proyectos de diseño je n e in l de m áquinas o d i productos. Capítulo 1: L a naturaleza del diseño m e tá u k u le ayuda 4 c'.m ipitntler s i ginr. p a­ noram a d el proceso de diseño m ecánico. Se presentan varios ejem plos (ie distintos íc c iu íts de la industria: productos al consum idor, sistem as de m anufactura, equipo d e «instrucción, equipo agrícola, equipo de transpone, barcos y sistirmus « p a cíale s, S r tfescritrai las respon­ sabilidades de los diseñadores, ju n to con un ejem plo de la naturaleza iterativa d ei p r i e s a d? diseño. El capítulo se com pleta con unidades y convexiones. C apítulo 2: M ateriales en el diseño m ecánico subrayan l.is propiedades de diseño de los materiales. Es probable que gran p a n e de este capítulo süa un repaso para usted, pero se presenta para subrayar la im portancia de seleccionar los m ateriales en el proceso de diseño, y para explicar los datos de m ateriales presentados e n Los apéndices. Capítulo 3: A nálisis de esfuerzos y deform aciones involucra un repaso de ios prin­ cipios básicos del análisis de esfuerzos y deform aciones. Es esencial que usted comprenda los conceptos básicos que aquí se resum en antes de continuar con el siguiente m aten a]. Se repasan los esfuerzos de tensión y com presión directos, y los esfuerzos cortantes, esfuerzo* de flexión y esfuerzos de cortante p o r torsión. C apítulo 4: E sfuerzos com binados y el círcu lo de M ohr, es impártanle porque muchos problem as generales de d iseño y el diseño de clcmentiK de máquinas, qut s t impli­ carán en capítulos posteriores, im plican esfuerzos combinados, Puede ser que el teetnr haya, aprendido esos tem as en un curso de resistencia de materiales. Capítulo 5: D iseño para distintos tipos de carga: es una descripción profunda de [os factores de diseño, la fatiga y m uchos de los detalles del análisis de esfuerzos, lid euirm sí manejan en este libro. C apítulo 6 : C olum nas describe los m iem bros largos, esbeltos, con carga ¡uta!, ¿¡uf tienden más a fallar por pandeo q u e p or rebasar los esfuerzos de fluencia, últim o o cortante del material. A quí se repasan m étodos especiales de diseño y análisis.

1

1 La naturaleza del diseño mecánico

Panorama Usted es el diseñador 1-1

Objetivos de este capítulo

1-2

El proceso del diseño mecánico

1-3

Conocimientos necesarios en el diseño m ecánico

1-4

Funciones, requisitos de diseño y criterios de evaluación

1-5

Ejemplo de la integración de los elem entos de máquina en un diseño mecánico

1-6

Ayudas de cómputo en este libro

1-7

Cálculos de diseño

1-8

Tamaños básicos preferidos, roscas de tom illos y perfiles estándar

1-9

Sistemas de unidades

1-10

Diferencia entre peso, fuerza y masa

La naturaleza del diseño mecánico M a pa d e d is c u s ió n □ Para diseñar componentes y aparatos mecánicos, el lector debe ser competente en el diseño de los elementos Individuales que forman al sistema. □ Pero también debe poder integrar varios componentes y equipos en un sistema coordinado y robusto que satisfaga las necesidades de su cliente.

Descubra

Ahora p iense en los múltiples cam pos donde puede aplicar el diseño mecánico: ¿C uáles so n algunos de los productos de e so s cam pos? ¿Q ué clase d e materiales se usan en los productos? ¿ C uáles son algunas d e las propiedades únicas de los productos? ¿C óm o se fabricaron los com ponentes? ¿C óm o se ensamblaron las p ie za s d e los productos7 Imagine que s e trata d e productos al consumidor, equipo d e construcción, maquinaria agrícola, sistem as de manufactura y sistem a d e transportes en tierra, aire, en el espacio y bajo el agua. En este libro, encontrará los m étodos de aprendizaje básico de D iseñ o d e elem en tos d e m áquinas.

El diseño de elementos de máquinas es pane integra] del más extenso y general campo del diseño mecánico. Los diseñadores y los ingenieros de diseño crean aparatos o sisiemas que satisfagan necesidades específicas. En el caso típico, los aparatos m ecánicos com prenden piezas móviles que transmiten potencia y ejecutan pautas específicas de m ovimiento Los sistemas mecánicos están formados por varios aparatos mecánicos. Por lo anterior, para diseñar com ponentes y aparatos mecánicos, el lector debe ser com ­ petente en el diseño de los elem entos individuales que componen el sistema, Pero también de­ be poder integrar varios com ponentes y equipos en un sistema coordinado y que satisfaga las necesidades de su cliente. De esta lógica viene el nom bre de este libro, D iseño de elem entos de m áquinas. Imagine los numerosos cam pos en los que se puede usar el diseño m ecánico. Platique so­ bre ellos con su profesor y con sus compañeros de estudios. Intercambie opiniones con personas que trabajen con diseños mecánicos en las industrias cercanas. Si es posible, intente visitar sus empresas o reúnase con diseñadores e ingenieros de diseño en eventos de sociedades profesio­ nales. Considere los siguientes cam pos donde se diseñan y fabrican los productos mecánicos. ■ Producios a l consum idor: Electrodom ésticos (abrelatas, procesadores de alimentos, licuadoras, tostadores, aspiradoras, lavadoras de ropa), podadoras de pasto, sierras de cadena, herram ientas m otorizadas, abrepuertas de cochera, sistemas de acondiciona­ miento de aire y muchos otros más. Vea las figuras l-l y 1-2 con algunos ejemplos de los producios que se consiguen en el comercio. ■ Sistem as de m a n u fa ctu ra : A paratos de m anejo de m ateriales, transportadoras, grúas, aparatos de transferencia, robots industriales, máquinas-herram ientas, sistemas auto­ máticos de ensam blado, sistem as de procesamiento especiales, carros estibadores y equipo de em paque. Vea las figuras 1-3, 1-4 y 1-5 ■ Equipo p a ra la construcción: Tractores con cargador frontal o con escariador, grúas móviles, volteadoras de tierra, terraplenadoras, cam iones de volteo, asfaltadoras, m ez­ cladoras de concreto, martillos m otorizados, com presoras y muchos más. Vea las figu­ ras 1-5 y 1-6. 3

C ap ítu lo 1 ■ La naturaleza del d iseño m ecánico

4 FIG U R A 1-1 Sierra de banda accionada con un taladro [Cortesía de B lack & Decker (U.S.) Inc.]

Taladro no incluido

a) Sierra de banda

Rodamientos de agujas Campo del motor

b) Taladro manual accionado por la sierra Mecanismo tener un buen acabado superficial con una duración razonable de la herramienta. Las tasas de producción se ven dilectam ente afectadas por la facilidad de maquinado. Es difícil definir pro­ piedades mensurables que se relacionen con maquinabilídad, por lo que esta propiedad se sue­ le m encionar en términos comparativos, que relacionan el desempeño de determ inado material en relación con un patrón.

* Tenacidad, energía de impacto La tenacidad es la capacidad de un material para absorber la energía que se le aplica sin fractura. Las piezas sometidas a cargas aplicadas repentinamente, a choques o a impacto, necesitan tener un alto nivel de tenacidad. Para m edir la cantidad de energía necesaria para rom per determina­ do espécim en hecho con el material que interesa, se emplean varios m étodos. Al valor de absor­ ción de energía en esas pruebas se le Uama con frecuencia energía de impacto, o resistencia al impacto. Sin embargo, es importante observar que el valor real depende mucho de la naturaleza de la muestra, en particular de su geometría. No es posible usar los resultados de la prueba en forma cuantitativa cuando se hacen cálculos de diseño. M ás bien, la energía de im pacto para va-

Sección 2-2 ■ Propiedades de los m ateriales

FIGURA 2-6

39

Prueba

rios candidatos materiales a em plearse en determ inada aplicación se puede com parar entre sí co­ mo signo cualitativo de su tenacidad. El diseño final debe probarse bajo condiciones reales de servicio, para com probar su capacidad de seguridad de sobrevivencia durante el uso esperado. Son populares dos métodos de determ inación de energía de impacto para los m etales y los plásticos: el Izod y el Charpy, y los proveedores del material suelen inform ar en sus publicacio­ nes los valores obtenidos con esos métodos. La figura 2-6 muestra esquemas de las dimensiones de las m uestras estándar y de la manera de cargarlas. En cada método, desde una altura conocida se deja caer un péndulo con una gran masa que lleva un golpeador de diseño especial. El gol­ peador toca al espécim en a gran velocidad en la parte inferior del arco del péndulo; por c onsi­ guiente, el péndulo posee una conocida cantidad de energía cinética. Por lo común, la muestra se rompe durante la prueba y toma algo de la energía del péndulo, pero le permite atravesar el área de prueba. La máquina de pruebas se configura de tal modo que mide la altura final hasta donde llega el péndulo, para indicar la cantidad de energía consumida. Ese valor se menciona en unidades de energía, J (Joules o N -m ) o pies-libra. Algunos metales muy dúctiles, y muchos plásticos, no se rom pen durante la prueba y se dice que el resultado es la expresión No se rompe. La prueba estándar Izod em plea un espécim en cuadrado con una muesca en forma de V maquinada con cuidado, de 2.0 mm (0.079 pulg) de profundidad, de acuerdo con las especifica­ ciones de la norma D 256 de A STM .2 El espécim en se sujeta en una morsa especial con la mues­ ca alineada con la orilla superior de ia morsa. El golpeador toca la m uestra a 22 mm de altura sobre la muesca y la carga com o un voladizo en flexión. Cuando se usa en plásticos, la dim en­ sión del ancho puede ser distinta de la que se ve en la figura 2-6 Es obvio que así se cam bia la cantidad total de energía que absorbrerá el espécimen durante la fractura. En consecuencia, los datos de la energía de impacto se dividen entre el ancho real del espécimen, y los resultados se

2 ASTM Internacional. Standard Test M ethods f o r D eterm ining the Izod Pendulunt ímpaci Resístante o f Plás­ tic!. Standard D256 (M étodos normales de prueba para determ inar la resistencia de los plásticos al impacto de! péndulo Uod. N orm a D256). West C onsboliocken, PA: ASTM InternationaJ, 2003.

C ap itu lo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

indican en N ■ra/ra o pies ■Ib/pulg. También algunos proveedores y clientes pueden convenir en probar el material con la muesca d a rd o la espalda al golpeador, en lugar de quedar hacia él co­ mo se ve en la figura 2-6. De este modo se obtiene una m edida de la energía de impacto del m a­ terial con una m enor influencia de la muesca. También, en el m étodo de Charpy se utiliza un espécim en cuadrado con una m uesca de 2.0 mm (0,079 pulg) de profundidad, pero está centrada en la longitud. La muestra se coloca contra un yunque rígido, sin sujetarse. Vea la norm a A 370 de A STM ,3 con las dim ensiones y procedim ientos de prueba específicos. La muesca da la espalda al lugar donde el golpeador to­ ca la muestra. Se puede describir la carga com o flexión de una viga simplem ente apoyada. La prueba de Charpy se emplea con más frecuencia para probar metales. O tro m étodo de pnieba de impacto, que se usa para algunos plásticos, materiales com ­ puestos y productos terminados, es el probador de caída de peso. A quí se sube verticalm ente una masa conocida sobre el espécimen de prueba hasta una altura específica. En consecuencia, tie­ ne una cantidad conocida de energía potencial. AJ dejar caer la masa libremente, se le aplica una cantidad predecible de energía cinética al espécim en sujeto a una base rígida. La energía inicial, la forma de soporte, la geometría del espécimen y la forma del golpeador (llamado m azo) son críticos para los resultados obtenidos. Un método estándar, descrito en D 3764 de A STM ,4 em ­ plea un mazo esférico de 12.7 mm de diám etro (0.50 pulg). En el caso normal, el mazo perfora el espécimen. El aparato tiene sensores que miden y grafican dinám icam ente la carga en función de las características de deflexión, y dan al diseñador dem asiada inform ación sobre la forma en que se comporta el material durante un evento de impacto Entre el resum en de datos informados está la energía disipada hasta el punto de carga máxima. Esa energía se calcula determ inando el área bajo el diagram a de caiga-deflexión. También se descnbe la apariencia del espécim en de prueba, y se indica si hubo fractura dúctil o frágil.

^Resistencia a la fatiga o bajo cargas repetidas Las piezas sometidas a aplicaciones repetidas de cargas, o a condiciones de esfuerzo que varían en función del tiempo durante varios m iles o millones de ciclos, fallan debido al fenóm eno de fatiga. Los materiales se prueban bajo condiciones controladas de carga cíclica, para determinar su capacidad de resistir esas cargas repetidas. Los datos obtenidos se m encionan como resistencia a la fa tig a del material, también llamada resistencia bajo cargas repetidas (vea el capítulo 5).

Arrastramiento Cuando los materiales se someten a grandes cargas en form a continua, pueden experim entar elongación progresiva con el paso del tiempo. A este fenómeno se le llam a arrastram iento (o ce­ dencia gradual) debe considerarse para metales que operan a altas temperaturas. El lector debe observar el arrastram iento cuando la tem peratura de funcionam iento de un elem ento metálico bajo carga es m ayor que 0.3 {Tm), aproxim adam ente, donde Tm es la temperatura de fusión ex­ presada com o temperatura absoluta (vea la referencia 22). El arrastramiento puede ser im por­ tante en los miembros com plicados de los m otores de combustión interna, hornos, turbinas de vapor, turbinas de gas, reactores nucleares o motores de cohete. El esfuerzo puede ser tensión, com presión, flexión o cortante (vea la referencia 8). La figura 2-7 m uestra el com portam iento típico de los metales en el arrastramiento. El eje vertical corresponde a la deform ación de arrastram iento en unidades como pulg/pulg o ram/mm. I ASTM ínteraational, Standard Test M ethods an d Definirions f o r M echanical Testing o f S teel Products. Stan­ dard A 370 (Métodos normales de pnieba y definiciones para pruebas m ecánicas de productos de acero. Norma A370). West Conshohoclcen, PA: ASTM International. 2003 II ASTM International. Standard Test M erhods fo r High S p ted Puncture o f Ptasrics Using Load and Displacement Sensors. Standard D3763 (Métodos normales de prueba para picadura de plásticos a alta velocidad, mediante sensores de carga y desplazamiento. Norma D3163). West Conshohocken, PA: ASTM Intem auonal, 2003.

41

Sección 2-2 ■ Propiedades da los m ateriales

FIGURA 2-7 Comportamiento de ¡¡naítramiento típico

FIGURA 2-8 Ejem plo de esfuerzo en función de la deformación unitaria, y en función del tiempo para el plástico nylon 66, a 23°C (73“F) (DuPont Polymers, Wilmington. DE)

20

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3.5

4.0

Deformación uoitaria(%) adem ás de la que hay ¡nicialmence cuando se aplica la carga. El eje horizontal corresponde al tiempo, y suele medirse en horas, porque el arrastram iento se desarrolla lentamente, a largo p la­ zo. Durante la parte prim aria d e la curva de deform ación d e arrastramiento contra la curva del tiempo, la tasa de aum ento en deform ación aumenta al principio, con una pendiente bastante pronunciada y después dism inuye. La pendiente es constante (líuea recta) durante la parte se­ cundaria de la curva. A continuación, la pendiente aum enta en la parte terciaria, que antecede a la fractura final del material. El arrastramiento se mide al som eter un espécim en a una carga continua conocida, quizá por aplicación de un peso muerto, m ientras que el espécim en se calienta y m antiene a una tem ­ peratura uniforme. Los datos de deform ación contra tiempo se tom an cuando menos en la etapa secundaria del arrastram iento y quizá durante todo el uayecto hasta la fractura, para determ inar la deformación de ruptura por arrastram iento. A l efectuar pruebas dentro de un intervalo de tem­ peraturas se obtiene una familia de curvas que son útdes en el diseño. El arrastram iento se da en m uchos plásticos, aun a tem peratura am biente o cerca de ella. La figura 2-8 m uestra una forma de presentar los datos de arrastram iento para materiales plás­ ticos (vea la referencia 8). Es una gráfica de esfuerzo apücado contra deformación en el elemento.

42

Capítulo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

con los datos para determ inada tem peratura del espécimen. Las curvas muestran la cantidad de deform ación que se produciría en los tiempos especificados, a valores crecientes de esfuerzo. Por ejemplo, si este material se sometiera a ua esfuerzo constante de 5.0 M Pa durante 5000 ho­ ras, la deformación total sena l.O %. Esto es, el espécimen se elongaría una distancia de 0.01 por la longitud original. Si el esfuerzo fuera 10.0 MPa durante 5000 horas, la deform ación total sería de 2.25%, aproximadamente. El diseñador debe tomar esta deformación de arrastram ien­ to, para asegurar que el producto funcione en forma satisfactoria a través del tiempo. P ro b le m a de e je m p lo 2-1

Una barra circular sólida tiene 5.0 mm de diámetro y 250 mm de longitud. Está fabricada de nylon 66, y se somete a una carga constante de tensión de 240 N. Calcule la longación de la barra in­ mediatamente después de aplicar la carga y después de 5000 h (aproxim adam ente siete meses). Vea el apéndice 13 y la figura 2-8 para las propiedades del nylon.

S o lu c ió n

Primero se calcularán el esfuerzo y la deformación inm ediatam ente después de aplicar la carga, mediante las ecuaciones fundamentales de resistencia de materiales: a = F /A y 5 = F L /E A Vea el capítulo 3 para un repaso de resistencia de materiales. Entonces se aplicarán los datos de arrastram iento de la figura 2-8, para determ inar la elon­ gación después de 5000 h.

R e s u lta d o s

Esfuerzo: El área de la sección transversal de la barra es A = ttD 2/ 4 = tt(5 .0 m m )!/ 4 = 19.63 m rrr F 240 N a = —= -¡ = 12.2 N / m n r = 12.2 M Pa A 19.63 mm El apéndice 13 enlista la resistencia 66 a la tensión del nylon, que es 83 M Pa. Por consi­ guiente, la barra es segura respecto a la fractura. Elongación: El módulo de elasticidad del nylon 66 se ve en el apéndice 13, y es E = 2900 MPa. Entonces, la elongación inicial es FL = EA

(240 N ) (250 mm ) (2900 N /m m 5) (19.63 m m 2)

111111

Arrastramiento: De acuerdo con la figura 2-8, se ve que cuando se aplica un esfuerzo de tensión de 12.2 M Pa al nylon 66 durante 5000 horas, se produce una deform ación total de 2.95% aproxim adam ente. Es­ to se puede expresar como deform ación unitaria: e = 2.9 5 % = 0.0295 m m /m m = 8/ L Entonces 8 = eL = (0.0295 m m /m m ) (250m m ) = 7.375 mm

C o m e n ta rio

Es una deformación aproximadamente siete veces m ayor que la que se produjo al principio, cuando se aplicó la carga. Por consiguiente, no es adecuado diseñar con el valor del módulo de

43

S e c c ió n 2-2 ■ Propiedades de los m ateriales

elasticidad, cuando se aplican esfuerzos en Corma continua durante largo tiempo. Ahora ya se puede calcular un aparente módulo de elasticidad, Eopp, para este material a las 5000 horas de vida en servicio: Ecpp = c r/f = (12.2 M P a)/(0 .0 2 9 5 m m /m m ) = 414 M Pa

Relajación Un fenóm eno relacionado con el arrastram iento se presenta cuando un elemento bajo esfuerzo está limitado bajo carga, que le proporciona cierta longitud fija y una deform ación unitaria fija. Con el paso del tiempo, el esfuerzo en el elem ento dism inuiría, lo que muestra un com porta­ miento llamado relajación. Es importante en aplicaciones com o uniones prensadas, piezas con ajuste a la prensa y resortes instalados con una deflexión fija. La figura 2-9 muestra la com pa­ ración entre arrastram iento y relajación. Para esfuerzos menores que aproxim adam ente 1/3 de la resistencia última a la tensión del material y a cualquier tem peratura, el aparente módulo en arrastram iento o relajación, en cualquier m om ento de la carga, se puede considerar sim ilar para fines de ingeniería. Además, los valores del m ódulo aparente son iguales para tensión, com pre­ sión o flexión (vea la referencia 8). El análisis de la relajación se complica, porque a medida que disminuye el esfuerzo también dism inuye la rapidez de arrastramiento. Se necesitarían más da­ tos de material, más allá de los que suelen informar, para calcular con exactitud la cantidad de relajación en cualquier momento dado. Se recomienda hacer pruebas bajo condiciones reales.

Propiedades físicas A quí se analizará la densidad, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica y la resistividad eléctrica D e n sid a d . Se define a la densidad com o la masa de un material por unidad de volumen. Sus unidades usuales son kg/m3 en el SI y Ib/pie3 en el sistema inglés, donde se toma a la libra-masa como unidad de libras en el numerador. Se le asigna a la densidad el símbolo p, la letra griega rho. FIGURA 2-9 Comparación de

ctq,

cr0, «o inicial

in ic ial

arrastramiento y relajación (DuPout Polymers, W ilmington, DE)

Pendiente = £ l Relajación con constante

- Condición final o ,. Pendiente = £ R

0 «o = «i Deformación unitaria

Deformación unitaria o0 £ = — = Módulo de tensión e0 c0 E r = — = Módulo de arrastramiento €i a)

Comportamiento de arrastramiento

CTq

£ = — = Módulo de tensión *0 (71 £ r = — = Módulo de relajación b)

Comportamiento de relajación

44

C ap ítu lo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

En algunas aplicaciones, se em plea el térm ino peso específico, o densidad de p eso para indicar el peso por unidad de volumen de un material. Las unidades típicas son N /m3 en el SI, y Ib/pulg5 en el sistema inglés, donde se supone que la libra es libra-fuerza. La letra griega gam ­ ma (7 ) es el símbolo del peso específico. C oeficiente d e expansión térm ica. El coeficiente de expansión térmica es una medida del cam bio de longitud de un material sujeto a un cam bio de temperatura. Se define por la relación cam bio de longitud

Coeficiente de expansión térmica

a=

ZTTaT)

deform ación unitaria _ "

(ATT

e (A T)

'

donde L0 - longitud original A T = cam bio de temperatura Casi todos los metales y los plásticos se dilatan al aum entar su temperatura, pero distintos ma­ teriales se dilatan en distintas cantidades. Para máquinas y estructuras que contengan piezas de más de un material, las distintas tasas de expansión pueden tener un efecto importante sobre el funcionam iento del conjunto y sobre los esfuerzos desarrollados. C onductividad térm ica. La conductividad térmica es la propiedad de un material que ex­ presa su capacidad de transferir calor. Cuando los elem entos de m áquinas funcionan en ambien­ tes calientes, o donde se genera un calor interno de im portancia, la capacidad de las piezas o de la caja de la máquina para retirar el calor puede afectar el funcionam iento de ésta. Por ejemplo, en forma típica, los reductores de velocidad con engrane sinfín generan calor por fricción, por el contacto con frotam iento entre el gusano y los dientes del piñón. Si no se retira en forma ade­ cuada, el calor hace que el lubricante pierda su eficacia y el desgaste de los dientes del engrane es rápido. Resistividad eléctrica. Para elem entos de máquina que conducen la electricidad y al mis­ mo tiempo soportan cargas, su resistividad es tan importante como su resistencia. La resistivi­ dad eléctrica es una m edida de la resistencia que presenta determ inado espesor del material. Se 1 mide en ohm-centímetros ( í í cm). A veces se usa la conductividad eléctrica, una medida de la capacidad de un materia) para conducir la corriente eléctrica, en lugar de la resistividad. Con fre- ' cuencia se m enciona como porcentaje de la conductividad de un material de referencia, por lo | general el estándar internacional de cobre recocido.

2-3 CLASIFICACIÓN DE METALES Y ALEACIONES

Varias asociaciones industriales asumen la responsabilidad del establecim iento de normas para clasificar metales y aleaciones. Cada una tiene su propio sistema de numeración, adecuado para determ inado metal a que se refiera la norma. Pero esto a veces causa confusión, cuando hay una traslape entre dos o más norm as y cuando se usan distintos esquem as para identificar los metales. Se ha ordenado, en cierta m edida en la clasificación de los metales, usar los Sistemas U nificados de N umeración (UNS, de Unified N um bering Systems), definidos en la N orm a E 527-83 (reaprobada en 1997), Práctica norm alizada de numeración de metales y aleaciones f UNS, de Standard Practice fo r Numbering M etals and AUoys), por la American Society forTes-

} * I | i

ling and M aterials o ASTM (vea las referencias 12 y 13). A demás de la lista de los materiales bajo control de la misma ASTM , el UNS coordina las designaciones de los siguientes grupos:

f

La Asociación del Aluminio (AA, Alum inum Associarion) El Instituto Estadounidense del Hierro y Acero (AISI, Am erican Iron and Steel Institute) La Asociación para el D esarrollo del Cobre (CDA, Copper D evelopm ent Associarion) La Sociedad de Ingenieros A utom otrices (SAE, Society o f Automotive Engineers).

45

Sección 2-4 » Variabilidad de los d alos sobre propiedades de los m ateriales

TAJBLA 2-2

S istem a unificado d e n u m eració n (U N S)

Serie de números

Tipos de metales y aleaciones

Organización responsable

Metales y aleaciones no fenosas A00001-A99999 COOOO1-C99999 E00001-E99999 L00001-L99999 M 00001-M99999 N00001-N99999 P00001-P99999 R00001-R99999 ZOOOO1-Z99999

Aluminio y aleaciones de aluminio Cobre y aleaciones de cobre Metales de riena rara y sus aleaciones Metales de bajo punto de fusión y sus aleaciones Diversos metales no ferrosos y sus aleaciones Níquel y aleaciones de níquel Metales preciosos y sus aleaciones Metales y aleaciones reactivos y refractarios Zinc y aleaciones de zinc

AA CDA ASTM ASTM ASTM SAE ASTM SAE ASTM

Metales y aleaciones ferrosas DOOOO1-D99999 F00001-F99999 GOOOOI-G99999 HOOOO1-H99999 J00001-J99999 KOOOOI-K99999 SOOOO1-S99999 T00001-T99999

- Aceros: especificación de propiedades mecánicas -S A E Hierros colados y aceros colados ASTM - Aceros al carbón y aleados (incluye los -AISI aceros al carbón y aleados SAE antenotes) Aceros H: templabilidad especificada AISI Aceros colados (excepto aceros de herramiemas) ASTM Diversos aceros y aleaciones ferrosas ASTM Aceros resistentes al calor y a la corrosión (inoxidables) ASTM Aceros de herramientas AISI

La serie principal de números en el UNS se ve en la labia 2-2, junio con la organización que tie­ ne la responsabilidad de asignar números dentro de cada serie. Dentro del UN S, muchas aleaciones conservan los números ya conocidos de los sistemas que usaron las asociaciones durante muchos años, como una parte del núm ero UNS. En la sec­ ción 2-5 se ven algunos ejem plos para acero al carbón y aleado. También las designaciones an­ teriores siguen siendo muy usadas. Por esas razones este libro usará el sistem a de designación con cuatro dígitos de la AJSl, com o se describirá en la sección 2-5, para la mayor parte de los aceros para m aquinaria. M uchas de las designaciones de la SA E usan los mismos cuatro núm e­ ros. También se usarán los sistem as de designación de la ASTM cuando se refiera a aceros e s­ tructurales y a hierros colados.

2-4 VARIABILIDAD DE LOS DATOS SOBRE PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Las tablas de datos, como las que se ven en los apéndices 3 al 13, indican en forma normal va­ lores únicos de resistencia, módulo de elasticidad (rigidez) o el porcentaje de elongación (duc­ tilidad) de cada material a c ieñ a condición obtenida por tratam iento térmico, o por el proceso con el que se fabricó. Es im portante que el lector com prenda las limitaciones de esos datos en ta tom a de decisiones de diseño. El lector debería buscar la inform ación sobre las bases de los datos mencionados. Algunas tablas presentan valores mínimos garantizados de resistencia a la tensión, resis­ tencia de fluencia y otros valores. E se podría ser el caso cuando maneje datos obtenidos con d e­ terminado proveedor. Con esos dalos, el lector debe confiar en que el material con que está fabricado el producto tiene cuando menos la resistencia indicada El proveedor debe proporcio­ nar los datos reales de prueba, y los análisis estadísticos que se em plearon para determ inar las resistencias m ínim as m encionadas. O bien, el lector podría hacer que los materiales que em plea­ rán en un proyecto se probaran para determ inar sus valores m ínim os de resistencia. Esas prue­ bas son costosas, pero se pueden justificar en diseños complicados. En otras tablas aparecen valores típicos de las propiedades de los materiales. Así, la mayor parte de los lotes de producción del material (m ás del 50%) que se entregue tendrá los valores

C apítulo 2 ■ M ateriales e r el d iseño m ecánico

FIG U R A 2-10 Distribución estadística normal de la resistencia de un material

Ejemplo: A i - \ o

-3 a

-2 o

- l a Promedio + lo Resistencia del material

2)J se usa con frecuencia después de soldar, m aquinar o conform ar en frío, para elim inar esfuerzos residuales, y con ello m inim izar la con­ siguiente distorsión. El acero se calienta hasta unos 1000°F (540°C-65CTC) y se mantiene hasta lograr la uniformidad; después se enfría con lentitud ai aire libre hasta la temperatura ambiente.

S e c c ió n

2-6 ■ C ondiciones para aceros y tratam iento térm ico

51

' N orm alizado. El normalizado [figura 2- 12c)] se produce en forma parecida al recocido, pe­ ro a mayor temperatura, pasando del intervalo de transformación donde se forma la austenita, a unos 1600°F (870°C). El resultado es una estructura interna uniforme en el acero, y una resis­ tencia algo m ayor que la que produce el recocido. En general, mejoran la m aquinabilidad y la tenacidad respecto al estado recocido. I Endurecim iento directo y en friam iento por in m e r s ió n y tem ple. El endurecimien­ to directo [Ggura 2- 12d )\ se produce al calentar el acero por arriba del intervalo de transform a­ ción donde se forma la austenita, y entonces se enfría rápidam ente en un medio de temple. El enfriam iento rápido provoca la formación de la martensita, la forma dura y resistente del acero. El grado al cual se forma la m artensita depende de la composición de la aleación. Una aleación que contenga un mínimo de 80% de estructura en forma de martensita, en todo el interior de la sección transversal, tiene alta templabilidad. Es una propiedad importante que se debe buscar al seleccionar un acero que requiera alta resistencia y gran dureza. Los medios com unes de tem ­ ple son agua, salm uera y aceites minerales especiales. La selección de un medio de inmersión depende de la rapidez con la que se debe hacer el temple. La m ayor parte de los aceros para m á­ quina requieren temple en aceite o en agua. El templado se suele producir inm ediatam ente después de la inmersión, y consiste en vol­ ver a calentar al acero a una tem peratura de entre 4 00°F y 1300°F (200°C-700°C), para después enfriarlo lentamente al aire, hasta la tem peratura ambiente. Este proceso modifica las propieda­ des del acero. Disminuyen la resistencia a la tensión y la resistencia de fluencia al aum entar la temperatura de templado, mientras que mejora la ductilidad, ya que aum enta la elongación por­ centual. Así, el diseñador puede adaptar las propiedades del acero para cum plir con requisitos específicos. A demás, el acero en el estado recién templado tiene grandes esfuerzos internos, y suele ser bastante frágil. Por lo común, las piezas de máquina se deben tem plar a 700°F (370°C) o más, después de la inmersión. Para ilustrar los efectos del templado sobre las propiedades de los aceros, en el apéndice 4 se presentan varias gráficas de resistencia en función de la tem peratura de temple. Se incluyen en ellas la resistencia a la tensión, el punto de fluencia, el porcentaje de elongación, el porcen­ taje de reducción de área y la dureza HB, todas indicadas en relaciÓD con la tem peratura de tem ­ plado. Observe la diferencia en la forma de las curvas y los valores absolutos de la resistencia y la dureza, si se com para el acero sim ple al carbono AISI 1040 con el acero aleado AISI 4340. Aunque ambos tienen el m ism o contenido nominal de carbono, el de aleación alcanza una resis­ tencia y una dureza m ucho m ayores. Observe también la dureza recién inmersa en la parte su­ perior derecha del encabezado de las gráficas; indica el grado hasta el que se puede endurecer una aleación determinada. Cuando se usan los procesos de cem entación (que se describirán a continuación), la dureza recién inm ersa se vuelve muy importante. En el apéndice 3 se m uestra el intervalo de propiedades que cabe esperar para varios gra­ dos de aceros al carbono y de aleación. Las aleaciones se m encionan con sus números y condi­ ciones AISI Para las condiciones de tratam iento térmico, la designación indica, por ejemplo, AISI 4340 O QT 1000, que indica que la aleación se som etió a inmersión en aceite y se templa a 1000°F. Al expresar las propiedades a las tem peraturas de templado de 400°F y 1300°F, se co­ nocen los puntos extrem os del posible intervalo de propiedades que cabe esperar para esa alea­ ción, Para especificar una resistencia entre esos límites, el lector podría consultar gráficas como las del apéndice 4, o bien, podría determ inar el proceso de tratam iento térmico necesario junto con un especialista. Para fines de especificación de materiales en este libro, será satisfactoria una interpolación general entre los valores que aparecen. Com o se dijo antes, debe buscar más da­ tos específicos cuando los diseños sean complicados. -i Endurecim iento superficial. En m uchos casos, la pieza en bruto sólo requiere tener resis­ tencia moderada, pero la superficie debe tener una gran dureza. Por ejemplo, en los dientes de los engranes es necesaria una gran dureza para resistir el desgaste, porque los dientes que engra­ nan están en contacto varios m illones de veces durante la vida útil de los engranes. En cada con-

C apítulo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

F IG U R A 2-13 Corte típico de los dientes de engrane cementados

tacto, se desarrolla un gran esfuerzo en la superficie de los dientes. Para aplicaciones como ésta se usa la cementación o endurecim iento superficial; a la superficie (la caja) de la pieza se le da una gran dureza hasta una profundidad quizá de 0.010 a 0,040 pulgadas (0.25 a 1.00 mm), aunque el interior de la pieza (el núcleo) sólo se afecta un poco, si es que se afecta. La ventaja del en­ durecimiento superficial consiste en que cuando la superficie adquiere la dureza necesaria para resistir el desgaste, el núcleo perm anece en una forma más dúctil y resistente al impacto y a la fatiga. Los procesos frecuentes para la cem entación son el endurecim iento por (lama, por induc­ ción, la carburización, la nitniración, la cianuración y la carbonitruración (vea la referencia 17). L a figura 7 -13 muestra un corte típico de un engrane cem entado donde se ve con claridad la caja dura que rodea al núcleo más suave y más dúctil. La cem entación se usa en aplicaciones donde se requiere una gran resistencia al desgaste y la abrasión en el servicio normal (dientes de engrane, ruedas de grúas, poleas para cable metálico y ejes de trabajo pesado). Los procesos más utilizados para cem entar se describen a continuación. 1. E ndurecim iento p o r fla m a y endurecim iento p o r inducción: Los procesos de endu­ recimiento por flama y por inducción consisten en el calentam iento rápido de la super­ ficie de la pieza durante un tiempo limitado, de tal m anera que una profundidad pequeña y controlada del material llegue al intervalo de transformación. Al someterla a inmersión de inmediato, sólo la pieza que pasó del intervalo de transform ación pro­ duce alta concentración de martensita necesaria para una alta dureza. En el endurecim iento p o r fla m a se maneja una flama concentrada que choca so­ bre una zona localizada durante un tiempo controlado, seguida de una inmersión en un baño o con un chorro de agua o aceite. El endurecimiento por inducción es un proceso donde se rodea la parte de una bobina, por la que pasa corriente eléctrica de alta fre­ cuencia. D ebido a la conductividad eléctrica del acero, se induce corriente principal­ mente cerca de la superficie de la pieza. El control de la potencia eléctrica y la frecuencia del sistema de inducción, así como el tiempo de exposición, determina la pro­ fundidad hasta la que el material llega a la temperatura de transformación. El temple rápido después del calentam iento endurece la superficie (vea la referencia 26), Note que, para ser eficaces, en el endurecim iento por flam a o por inducción, el material debe tener una buena capacidad de endurecim iento. En general, el objeüvo de la cem entación es producir una dureza R ockw ell C superficial en el intervalo de HRC 55 a 60 (dureza B rinell aproximada HB 550 a 650). En consecuencia, el material debe endurecerse hasta el valor deseado. Los aceros al carbono y aleados con menos de 30 puntos de carbono no pueden cum plir con este requisito, en el caso normal. En conse­ cuencia, los tipos normales de acero a los que se les da tratam ientos de cementación son los que tienen 40 puntos. 2. C arburización, nitruración, cianuración y carbonitruración: Los dem ás procesos de cem entación son por carburización, nitruración, cianuración y carbonim iración, y eo realidad alteran la com posición de la superficie del material, porqne se expone a ga­ ses, líquidos o sólidos que contienen carbono, y lo difunden a través de la superficie

Sección 2-7 ■ A ceros inoxidables

53 de la pieza. La concentración y la profundidad de penetración del carbono dependen de la naturaleza de la sustancia que lo contiene y del tiempo de exposición. En el caso tí­ pico, la nitruración y la cianuración producen cajas muy duras y delgadas, buenas para la resistencia al desgaste en general. Cuando $e requiere gran capacidad de carga, ade­ más de la resistencia al desgaste, com o en el caso de los dientes de engranes, se pre­ fiere la carburización porque la caja és más gruesa. Son varios los aceros que se producen para carbunzar. Entre ellos están el 1015, 1020, 1022, 1117, 1118, 4118, 4320, 4620, 4820 y 8620. El apéndice 5 contiene las propiedades esperadas para estos aceros carburizados. Observe, al evaluar el material para una aplicación, que las propiedades del núcleo determ inan su capacidad para re­ sistir los esfuerzos constantes, y que la dureza superficial indica su resistencia al des­ gaste. Cuando se efectúa la carburización, casi siem pre produce una dureza superficial de HRC 55 a 64 (Rockwell C) o de HB 550 a 700 (Brinell). La carburización tiene algunas variantes que permiten al diseñador adaptar las propiedades para cum plir requisitos específicos. La exposición a la atmósfera con c ar­ bono se hace a una tem peratura aproxim ada de 1700°F (920°C) y suele requerir 8 h. Al templar de inmediato, se alcanza la m áxim a resistencia, aunque la superficie queda algo frágil. En el caso norm al, se deja enfriar una pieza lentam ente después de carburizarla. A continuación, se recalienta a unos 1500°F (815°C) y se templa. Sigue un templado a la temperatura relativamente baja de 300°F o 450°F (150°C o 230°C) para aliviar los esfuerzos causados en la inmersión. Com o se ve en el apéndice 5, la mayor tem peratura de tem plado dism inuye un poco la resistencia del núcleo y la dureza de la superficie, pero en general m ejora la tenacidad de la parte. El proceso que se acaba de describir es la inmersión y el tem plado sencillo Cuando una pieza se tem pla en aceite y se reviene a 450 °F, por ejemplo, se di­ ce que tiene cem entación po r carburización SO Q T 450. Si se recalienta después del prim er temple y se tem pla de nuevo, se refinan más las propiedades de ia caja y del nú­ cleo; a este proceso se le llama cem entación por carburización D O Q T 450 Estas con­ diciones se m encionan en el apéndice 5.

2-7 ACEROS INOXIDABLES

El térm ino acero inoxidable caracteriza la alta resistencia a la corrosión que presentan las aleaciones de este grupo. Para clasificarla com o acero inoxidable, la aleación debe tener un contenido m ínim o de crom o de 10%. La m ayor p an e tienen de 12 a 18% de crom o (vea la re­ ferencia 5). El AISI designa la m ayor parte de los aceros inoxidables como series 200, 300 y 400. Co­ mo se dijo antes (sección 2-3), otro sistem a de designación es el de numeración unificada (UNS) establecido por SAE y ASTM En el apéndice 6 , aparecen las propiedades de varios grados don­ de se ven las dos designaciones. Los tres grupos principales de aceros inoxidables son los austeniticos, los fem'ticos y los martensíticos. Los aceros inoxidables austeniticos pertenecen a las series 200 y 300 AISI. Son grados para uso general, con resistencia moderada. La m ayor parte de ellos no se pueden tratar térm icam ente, y sus propiedades finales quedan determ inadas por la cantidad de trabajado; al temple que resu ltase le llama 1/4 duro, 1/2 duro, 3/4 duro y duro total. Esas aleaciones no son m agnéticas y se emplean en equipos típicos de procesam iento de alimentos. Los aceros inoxidables ferríticos pertenecen a la serie AISI 400, y se les designa como 405, 409, 430, 446, entre otros. Son m agnéticos y trabajan bien a tem peraturas elevadas de 1300°F a 1900DF (700°C a 1040°C), dependiendo de la aleación. No pueden tener tratamiento térmico, pero se pueden trabajar en frío para m ejorar sus propiedades. Se aplican en la fabrica­ ción de tubos de intercam bio de calor, equipo de refinación de petróleo, m olduras automotrices, piezas de hornos y equipos químicos. Los aceros inoxidables m artensíticos también pertenecen a la serie A ISI 400, incluidos los tipos 4 0 3 ,4 1 0 , 414, 416, 4 2 0 ,431 y 440, Son magnéticos, se pueden tratar térmicamente y

54

C a p itu lo 2 ■ M ateriales en al d iseño m ecánico

lienen mayor resistencia que los de las series 200 y 300, pero conservan buena tenacidad. Entre sus aplicaciones típicas están las piezas de motores de turbinas, cuchillería, tijeras, piezas de bombas, piezas de válvulas, instrumentos quirúrgicos, herrajes para aviones y herrajes marinos. Existen muchos grados de acero inoxidable que se patentan por diversos fabricantes. Un grupo usado en aplicaciones de alta resistencia, en los campos aeroespacia], marino y vehicular, es el del tipo de endurecimiento por precipitación o endurecimiento estructural Desarrollan resisten­ cias muy altas con tratamientos térmicos a temperaturas relativamente bajas, de 900°F a 1150°F (480°C a 620°C). Esta característica ayuda a minimizar la distorsión durante el tratamiento. Algu­ nos ejemplos son los aceros inoxidables I7-4PH, 15-5PH, 17-7PH, PH I5-7M o y AMS362.

1 ACERO ESTRUCTURAL

La mayor parte de los aceros estructurales reciben la designación de los números A STM . Un gra­ do frecuente es el ASTM A36, que tiene un punto de fluencia mínimo de 36 000 psi (248 MPa) y es muy dúctil, F.n resumen, es un acero con bajo carbón y laminado en caliente, disponible en láminas, placas, barras y perfiles estructurales; por ejem plo, algunas vigas I, vigas estándar es­ tadounidenses, canales y ángulos. En el apéndice 16 aparecen las propiedades geom étricas de algunas de esos perfiles. La m ayor parte de las vigas d e patín ancho (perfiles W ) se fabrican en la actualidad con acero estructural ASTM A992, cuyo punto de fluencia es de 50 a 65 ksi (345 a 448 M Pa), con re­ sistencia mínima a la tensión de 65 ksi (448 MPa). U na especificación adicional es que la relación máxima de punto de fluencia a resistencia a la tensión sea 0.85. Es un acero muy dúctil, que tie­ ne un alargamiento mínimo de 21% en 2.00 pulgadas de longitud calibrada A] usar este acero en lugar del ASTM A36, de m enor resistencia, se pueden em plear miembros estructurales más ligeros, a u n costo adicional mínimo o sin costo alguno. Los perfiles estructurales huecos (HSS, de hollow structural sections) se fabrican con ace­ ro ASTM A500, que se forma en frío y se suelda, o está sin costura. Están com prendidos los tu­ bos redondos y cuadrados, así com o los perfiles rectangulares. Observe que en el apéndice 7 hay distintos valores de resistencia para rubos redondos, en com paración con las formas moldeadas. También se pueden especificar varios grados de resistencia. Algunos de los productos HSS se fabrican con acero ASTM A501 moldeado en caliente, cuyas propiedades son parecidas a las de los perfiles de acero ASTM A36 laminado en caliente. M uchos de los grados de acero estructural con m ayor resistencia se em plean para la cons­ trucción. para vehículos y para máquinas. Tienen puntos de fluencia en el intervalo de 42000 a 100 000 psi (290 a 700 MPa). Algunos de esos grados, que se llaman aceros de alta resistencia y baja aleación, son ASTM A242, A440, A 5 14 y A 588. El apéndice 7 contiene las propiedades de varios aceros estructurales.

\

2-9 ACEROS PARA HERRAMIENTAS

2-10 HIERRO COLADO

El térm ino acero para herramienta se refiere a un grupo de aceros que se usan para fabricar he­ rramientas de corle, punzones, matrices, hojas cortantes, cinceles y otros usos parecidos. Se cla­ sifica a las numerosas variedades de aceros para herram ientas en siete tipos generales, que se ven en la tabla 2-5. M ientras que la m ayor parte de los usos de los aceros para herram ientas se relacionan con el campo de la ingeniería de manufactura, también pertenecen al diseño de máquinas, donde se requiere la capacidad de mantener un borde agudo bajo condiciones abrasi­ vas (tipos H y F). También, algunos aceros para herramientas tienen una resistencia bastante alta al choque, lo que puede ser ventajoso en com ponentes de máquina tales com o las piezas para em bragues mecánicos, trinquetes, cuchillas, guías para partes en movimiento y pinzas (tipos S, L. F y W ). (Vea una descripción más extensa de los aceros para herram ienta en la referencia 6). •

Los engranes grandes, estructuras de m áquina, soportes, piezas de eslabonam iento y dem ás pie­ zas importantes de máquinas se fabrican con hierro colado. Los diversos tipos disponibles abar­ can amplios márgenes de resistencia, ductilidad, facilidad de maquinado, resistencia al desgaste y costo. Estas propiedades son atractivas para m uchas aplicaciones. Los tres dpos de hierro

Sección 2 -10

Jx A B L A 2 -5

55

H ierro colado

*

E jem p lo s de los tip os de aceros para herram ientas

Tipos específicos

Ejemplos

Tipo general

Símbolo del tipo

Alia velocidad

M

Molibdeno

M2 MIO M42

T I 1302 T I 1310 T I 1342

T

Tungsteno Cromo

TI T15 H10

TI2001 T120I5 T20810

Tungsteno

H2I

T2082I

Molibdeno

H42

T20842

D2

T30402

A2

T30I02

OI

T3150I

Trabajados en caliente H

Trabajados en frió

D A O

Principales elemen­ tos de aleación Núm. AISI Niim. UNS

Alio carbono, alto cromo Medio carbono, temple al aire Temple al aceite

Resistentes al choque

S

SI

T41901

Aceros moldeados

P

P2

T51602

Uso especial

L

Tipos con baja aleación L2

T6I202

F

Tipos al carbonotungsteno

F1

T6060I

W1

T7230I

Temple al agua

W

Usos típicos (y otras aleaciones comunes) Aceros para herramienta con uso general en herramientas de corte y matrices para forja, extrusión, doblez, estirado y penetrado (M 1, M3. M4-M7, M30, M34, M36, M41-M47) Semejantes a los usos de tipos M (T2, T4, T5, T 6, T8) Matrices de recalcado en frío, cuchillas cortantes, partes de aviones, matrices para extrusión a baja temperatura y colado a presión (H1-H19) Matrices para mayor temperatura, cuchillas para corte en caliente (H20-H39) Aplicaciones que tienden a producir gran desgaste (H40-H59) Matrices de estampado, punzones, calibradores (D3-D5, D7) Punzones, dados de terraja, matrices para colado a presión (A3-A10) Machuelos, rimas, brochas, calibradores, portapiezas y sujetadores, bujes, espigas de máquina herramienta, zancos de herramienta (0 2 ,0 6 , 07) Cinceles, herramientas neumáticas, punzones de trabajo pesado, piezas de máquinas sometidas a choques (S2, S4-S7) Matrices para moldeo de plásticos, matrices para colar zinc a presión (P3-P6, P20. P21) Herramental y piezas de máquina que requieran gran tenacidad (L3, L6) Semejantes a los tipos L, pero con mayor resisten­ cia a la abrasión (F2) Usos generales en herramientas y matrices, morsas y mordazas de portaherramienta, herramientas de mano, poriapiezas y sujetadores, punzones (W2, W5)

colado que más se usan son el hierro gris, hierro dúctil y hierro maleable. El apéndice S mues­ tra las propiedades de varios hierros colados (vea también la referencia 9). El hierro gris se consigue en grados cuya resistencia a la tensión va de 20 000 a 60 000 psi (138 a 414 M Pa). So resistencia última a la com presión es macho mayor, tres a cinco veces m a­ yor que la de tensión. Una desventaja del hierro gris es que es frágil y, en consecuencia, no se debe usar en aplicaciones donde probablem ente haya cargas de im pacto. Pero tiene una exce­ lente resistencia al desgaste, es relativam ente fácil de maquinar, tiene buena capacidad para am ortiguar la vibración y se puede endurecer superficialmente. Entre sus aplicaciones están los bloques de motores, engranes, piezas de frenos y bases de máquinas. Los hierros grises se eva lúan con la especificación A48-94 de ASTM , en clases 20, 25, 30, 40, 50 y 60, donde el núm e­ ro indica la resistencia mínima a la tensión en kips/puig2 (ksi), Por ejemplo, el hierro gris clase 40 tiene una resistencia m ínim a a la tensión de 4 0 ksi o 40 000 psi (276 MPa). Como es frágil, el hierro gris no tiene la propiedad de resistencia de fluencia. El hierro maleable es un gnipo de hierros colados térmicamente tratables, con resistencia de moderada a alta, alto módulo de elasticidad (rigidez), buena maquinahilidad y buena resisten-

C a p itu lo 2 • M ateriales en el d iseño m ecánico

cía al desgaste. La designación de cinco dígitos indica aproximadamente la resistencia de fluencia y la elongación porcentual esperada del material. Por ejem plo, el grado 40010 tiene una resistencia de fluencia de 40 ksi (276 MPa) y una elongación del 10%. Las propiedades de resistencia mostradas en el apéndice 8 son para el estado sin tratam iento térmico. Con el tratamiento térmi­ co, se obtienen mayores resistencias Vea las especificaciones A 47-99 y A 220-99 de ASTM. Los hierros dúctiles tienen mayores resistencias que los grises y, com o indica el nombre, son más dúctiles. Sin em bargo, su ductilidad es todavía m ucho m enor que la de los aceros tfpicos. En las especificaciones ASTM A 536-84 se maneja una designación del grado mediante tres partes. El prim er número indica la resistencia de tensión en ksi, el segundo es la resistencia de fluencia en ksi y el tercero es la elongación porcentual aproximada. Por ejem plo, el grado 80-55-06 tiene una resistencia de tensión de 80 ksi (552 M Pa), una resistencia de fluencia de 55 ksi (379 M Pa) y una elongación de 6 % en 2.00 pulg. Las partes coladas con mayor resistencia, como los cigüeñales y engranes, se fabrican con hierro dúctil. El hierro dúctil austem plado o hierro dúctil con temple ausrenttico (ADI, de ausiempered ductile iron) es un hierro dúctil aleado y tratado térm icam ente (vea ia referencia 9). Tiene atractivas propiedades que permiten su em pleo en equipos de transpone, m aquinaria industrial y otras aplicaciones donde el bajo costo, buena maquinabilidad, gran am ortiguam iento de vibra­ ción, buena resistencia al desgaste y colado a la torm a neta aproxim ada, son apreciables ventajas. Como ejem plo están los engranes de tren de impulsión, piezas de juntas de velocidad constante y los com ponentes de la suspensión. La norma 897-90 de ASTM menciona cinco gra­ dos de ADI, cuya resistencia a la tensión v a d e 125 ksi (850 M Pa) a 230 ksi (1600 M Pa). Las re­ sistencias de fluencia van de 80 ksi (550 M Pa) a 185 ksi (1300 MPa). La ductilidad dism inuye al aum entar la resistencia y la dureza, y los valores del porcentaje de elongación dism inuyen en el intervalo aproxim ado de 10 a 1%. El ADI com ienza como un hierro dúctil convencional con un control cuidadoso de la com posición y del proceso de colado, y se obtiene una buena fundi­ ción íntegra y libre de huecos. Se agregan pequeñas cantidades de cobre, níquel y m olibdeno pa­ ra m ejorar la respuesta del metal al ciclo especial de tratam iento térm ico que muestra la figura 2-14. Se calienta a la tem peratura de austenitización (1550 a 1750 °F u 843 a 954 °C), depen­ diendo de la com posición. Se conserva a esta tem peratura de una a tres horas, para que el m ate­ rial se vuelva totalmente austenítico. Sigue un tem ple rápido en un medio de 460 a 750 °F (238 a 400 °C), y la fundición se conserva a esta tem peratura de media a cuatro horas. Es la parte del austem plado del ciclo donde lodo el material se convierte en una mezcla, en su m ayor parte de austenita y íerrila o ausferrita. Es importante que durante este ciclo no se formen ni perlita ni bainita, Después se deja enfriar la pieza hasta la tem peratura ambiente.

2-11 METALES PULVERIZADOS

Al fabricar piezas de formas intrincadas m ediante m etalurgia de polvos se puede, a veces, eli­ m inar la necesidad de un extenso m aquinado. Los polvos metálicos se consiguen en muchas for­ mulaciones, cuyas propiedades se acercan a las de la forma forjada del metal. El procesamiento consiste en preparar una forma previa, com pactando el polvo en una matriz, con alta presión. El siguiente paso es sintetizar a una tem peratura alta, para fundir el polvo y form ar una masa uni­ forme. A veces se hace un segundo prensado, para m ejorar las propiedades o la exactitud dim en­ sional de la pieza. Las piezas que se fabrican típicam ente con el proceso de metalurgia de polvos son los engranes, segmentos de engranes, levas, excéntricas y di versas partes de m áquina con orificios o proyecciones de forma especial. Son típicas las tolerancias dim ensionales de 0.001 a 0.005 pulgadas (0.025 a 0.125 mm). U na desventaja de las piezas pulverizadas es que suelen ser frágiles, y no deben usarse en aplicaciones donde se esperen grandes cargas de im pacto. O tra aplicación importante es en co­ jinetes pulverizados que se fabrican, eu consecuencia, con una densidad relativamente baja y con una porosidad alta. El cojinete se impregna con un lubricante que puede ser suficiente para (oda la duración de la parte. Esta clase de materiales se describe en el capítulo 16. Los fabricantes de polvos m etálicos tienen muchas form ulaciones y grados patentados. Sin embargo, la Federación de Industrias de Polvo M etálico (MPIF, por M etal Powder Indus­ tries Federarion) promueve la normalización de estos materiales. En la figura 2-15, se ven foto­ grafías de algunas partes fabricadas con polvos metálicos (vea la referencia 3).

¡ I J

i

]

|

|

Sección 2 -1 2 ■ A lum inio

57

FIGU RA 2-14 Ciclo de tratamiento térmico pata el hierro dúctil austemplado (ADÍ)

FIGURA 2-15 Ejemplo de componentes de metal pulverizado (GKN Sinter M etals Aubum Hills, MI)

V

2-12

'A LU M IN IO

El aluminio se em plea con frecuencia en aplicaciones estructurales y mecánicas. Sus propieda­ des atractivas son el bajo peso, buena resistencia a la corrosión, facilidad relativa de formado y m aquinado y apariencia agradables. Su densidad es, aproximadamente, la tercera parte de la del acero. Sin embargo, su resistencia también es m enor (vea las referencias 1, 8 y 12). En la tabla 2 - 6 se muestran los grupos de aleación que se em plean con frecuencia. Las designaciones estandarizadas por la Asociación del Aluminio manejan un sistema de cuatro dígitos. El prim ero indica el tipo de aleación, según el principal elem ento aleante. El se­ gundo dígito, si es distinto de cero, indica modificaciones de otra aleación o lím ites de las im­ purezas en la aleación. La presencia de impurezas tiene importancia especial en los conductores eléctricos. Dentro de cada grupo hay varias aleaciones específicas, que se indican con los últi­ mos dos dígitos de la designación. La tabla 2-7 es una lista de varias aleaciones comunes, junto con las formas en las que se prodneen típicamente, y algunas de sus principales aplicaciones. También se ven en la tabla al­ gunas de las 50 o más aleaciones disponibles, que abarcan la variedad de aplicaciones típicas. Esta tabla le ayudará a seleccionar una aleación adecuada para determ inada aplicación. Las propiedades m ecánicas de las aleaciones de aluminio dependen mucho de su estado. Por esta razón, es incompleta la especificación de una aleación si no m enciona su temple. La lisT A B L A 2 -6

G rupos de aleacio n es d e alum inio

Designaciones de la aleación (por el principal elemento de aleación) Ixxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6 xxx 7xxx

Contenido de aluminio de 99.00% o más Cobre Manganeso Silicio Magnesio Magnesio y silicio Zinc

I gg

C apítulo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

T A B L A 2 -7 Aleación 1060 1350 2014 2024 2219 3003 5052 6061 6063 7001 7075

A leacio n es de alu m in io com unes y sus ap licacio n es Aplicaciones

Formas

Lámina, placa, tubo Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, rubo. perfiles Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, perfiles, Estructuras de avióa y armazones de vehículo piezas forjadas Lámina, placa, rubo. varilla, barra, alambre, perfiles, Estructuras de avión, ruedas, piezas de máquinas remaches Piezas sometidas a alias temperaturas (hasta 600°F) Lámina, placa, rubo, varilla, barra, perfiles, piezas foqadas Equipo químico, tanques, utensilios de cocina, Lámina, placa, tubo, varilla, baña, alambre, perfiles. piezas arquitectónicas rubo, remaches, piezas forjadas Tubos hidráulicos, electrodomésticos, fabricaciones con lámina Lámina, placa, tubo, varilla, barra, alambre, remaches Estrucruras, armazones y piezas de vehículos, usos marinos Todas las formas Muebles, herrajes arquitectónicos Tubo, perfiles extruidos Estructuras de alia resistencia Tubo, perfiles extruidos Todas las formas, excepto rubos Estructuras de aviones y para trabajo pesado Equipos químicos y tanques Conductores eléctricos

ta de abajo describe los temples que se d a r con frecuencia a las aleaciones de aluminio. O bser­ ve que algunas aleaciones responden al tratam iento térm ico y otras al endurecim iento por defor­ mación. El endurecimiento po r deformación (o endurecimiento por deform ación en fr ío o endurecimiento p o r trabajo) es el trabajo en frío, controlado, de la aleación, donde con mayor trabajo aum enta la dureza y resistencia, mientras disminuye la ductilidad. Los tem ples disponi­ bles comunes son los siguientes. F (com o se fa b ricó ): N o hay control especial de las propiedades. Se desconocen los lím i­ tes reales. Este tem ple sólo se debe aceptar cuando la parte se pueda probar minuciosa­ mente antes de entrar en funcionamiento. O (recocido): Un tratamiento térmico que produce el estado más suave y de menor resis­ tencia. A veces se especifica para obtener la forma de la aleación que se pueda trabajar mejor. La pane obtenida puede tratarse térmicamente para mejorar sus propiedades, si se fabrican con aleaciones de las sen es 2xxx, 4xxx, 6xxx o 7xxx. También, el trabajo en s( puede mejorar las propiedades, en forma parecida a las obtenidas por el endurecimiento por deformación, con las aleaciones de las series lxxx, 3xxx y 5xxx. H (endurecido por deform ación): Un proceso de trabajo en frío bajo condiciones contro­ ladas, que produce mejores y predecibles propiedades para las aleaciones de los grupos lxxx, 3xxx y 5xxx. M ientras mayor sea la cantidad de trabajo en frío, la resistencia y la dureza son mayores, aunque dism inuye la ductilidad. A la designación H siguen dos o más dígitos (normalmente 12,14, 16 o 18) que indican resistencias cada vez mayores. Sin em ­ bargo se manejan varias otras designaciones. T (con tratam iento térm ico); Una serie de procesos controlados de calentam iento y en­ friamiento, que se aplican a los grupos 2xxx, 4xxx, 6xxx y 7xxx. A la letra T sigue uno o más números que indican los procesos específicos. Las designaciones más comunes de los productos mecánicos y estructurales son T4 y T6 . Los datos de las propiedades de aleaciones de alum inio están en el apéndice 9. Corno esos datos son valores típicos y no valores garantizados, se debe consultar al fabricante para conocer los datos en el momento de la compra. Para aplicaciones en el diseño mecánico, la aleación 6061 es uno de los tipos más versá­ tiles. Observe que está disponible casi en todas las formas, tiene buena resistencia y resistencia a la corrosión, y se puede tratar térmicamente para oblener una gran variedad de propiedades. También tiene buena facilidad de soldadura. En sus formas más suaves se m oldea y se trabaja con facilidad. D espués, si se requiere m ayor resistencia, se puede tratar térmicamente después de moldearla. Sin embargo, su m aquinabilidad es baja.

Sección 2-13

*

A leaciones de zinc

2 -1 3

J ALEACIONES DE ZINC

59

El zinc es el cuano metal m ás usado en el mundo. G ran pane de él está en forma de zinc galvanizado, com o inhibidor de corrosión del acero’, pero se usan cantidades muy grandes de zinc en piezas coladas y en materiales de cojinetes. La figura 2-16 muestra ejem plos de piezas coladas en zinc (vea la referencia 19). Se obtiene producción en grandes volúmenes mediante colado a presión de zinc, con lo que resultan superficies muy lisas, con una excelente exactitud dimensional. Se pueden usar d i­ versos procesos de recubrim iento para producir una apariencia agradable en el acabado y para inhibir la corrosión. Aunque las piezas tal com o salen del colado tienen en sí buena resistencia a la corrosión, se puede m ejorar el funcionam iento en algunos ambientes con tratamientos en cromato o fosfato o con anodizado. También se usan pintura y crom ado para producir una gran variedad de acabados superficiales atractivos. A demás del colado a presión, los productos de zinc se fabrican con frecuencia por colado en molde permanente, colado en molde perm anente de grafito, colado en arena y colado con molde de cáscara. Entre otros procesos que se usan con menos frecuencia están el colado a! m o­ delo perdido, colado en molde perm anente a baja presión, colado centrífugo, colado continuo y colado en molde de hule. Para los prototipos se usa con frecuencia el colado en molde de yeso. También se usa el colado continuo para producir perfiles normalizados (varilla, barra, tubo y placas). Los prototipos o los productos term inados se pueden m aquinar entonces a partir de esas formas. En el caso típico, las aleaciones de zinc contienen aluminio y una pequeña cantidad de m agnesio. A lgunas aleaciones contienen cobre o níquel. El funcionam iento de los productos fi­ nales puede ser muy sensible a pequeñas cantidades de otros elementos, y se establecen límites máximos al contenido de hierro, plomo, cadm io y estaño, en algunas aleaciones. La aleación de zinc que se usa con más frecuencia se llama aleación núm. 3, y a veces 7am ak 3. Tiene 4% de alum inio y 0.035% de magnesio. Existe otra que se llama Zamak 5, y tam-

FIGURA 2-16 Piezas coladas en zinc (INTERZINC, Washington, D.C.)

60

C apítulo 2 * M a te ria le s en el d iseño m ecán ico

bién condene 4% de aluminio, con 0.055% de magnesio y 1% de cobre. Un grupo de aleaciones con m ayor contenido de alum inio son las ZA. Las más populares de ésias son las ZA -8, ZA-12 y ZA -27. El apéndice 10 tiene un resumen de la com posición y las propiedades típicas de estas aleaciones. Como el caso de la m ayor parte de los m ateriales colados, se deben esperar ciertas variaciones de propiedades en función de! tamaño de las piezas, el tratam iento térm ico de la pie­ za colada, la temperatura de funcionam iento del producto y el aseguram iento de la calidad, du­ rante el proceso de colado.

2-14 TITANIO

El titanio se em plea en estructuras y com ponentes aeroespaciales, tanques para procesos quím i­ cos y equipo de proceso en general, aparatos de manejo de fluidos y herrajes marinos. El titanio dene una resistencia muy buena a la corrosión y una alta relación de resistencia a peso. Su rigi­ dez y densidad son intermedias entre las del acero y el aluminio; su módulo de elasticidad apro­ ximado es 16 X 106 psi ( l 10 GPa) y su densidad es 0.160 lb/pulgJ {4.429 kg/m 1). Los esfuerzos de fluencia típicos van de 25 a 175 ksi (172-1210 M Pa). Entre sus desventajas están su costo re­ lativamente alto y la dificultad de maquinarlo. Se pueden clasificar las aleaciones de titanio en cuatro tipos generales: titanio alfa com er­ cialmente puro, aleaciones alfa, aleaciones alfa-beta y aleaciones beta. El apéndice 11 muestra las propiedades de algunos de esos grados. El térm ino alfa indica la estructura metalúrgica he­ xagonal compacta que se forma a bajas temperaturas, y beta indica la estructura cúbica centrada en el cuerpo a altas temperaturas. Los grados de titanio comercialmente puro indican la resistencia aproximada esperada del material. Por ejemplo, el TÍ-50A dene una esperada resistencia de fluencia de 50 000 psi (345 MPa). Como una clase, estas aleaciones sólo tienen resistencia moderada, pero buena ductilidad. Un grado popular de la aleación alfa es el titanio aleado con 0.20% de paladio (Pd), y se llama Ti-0.2Pd. Sus propiedades se muestran en el apéndice 11, para una de sus condiciones de tratam iento térmico. A lgunas aleaciones alta tienen m ejor resistencia y facilidad de soldado a alta temperatura. De manera general, las aleaciones alfa-beta y las aleaciones beta son formas más fuertes I de titanio. Se tratan térmicamente para un control cerrado de sus propiedades. Desde que m u­ chas aleaciones son permisibles, un diseñador puede utilizar las propiedades para satisfacer las necesidades especiales de formabilidad, maquinabilidad, forjado, resistencia a la corrosión, re­ sistencia a altas temperaturas, soldadura y resistencia por arrastramiento, así como resistencia básica a la temperatura ambiente y ductilidad. La aleación TÍ-6A1-4V contiene 6% de alum inio ' y 4% de vanadio y se usa mucho en aplicaciones espaciales.

2-15 COBRE, LATÓN Y BRONCE

El cobre se usa m ucho en su forma casi pura en aplicaciones eléctricas y de plomería, por su al­ ta conductividad eléctrica y buena resistencia a la corrosión. Rara vez se usa en piezas de má­ quinas, por su resistencia relativamente baja, en com paración con la de sus aleaciones, latón y bronce (vea la referencia 3). El latón es una familia de aleaciones de cobre y zinc, donde el contenido de zinc va de 5% a 40% . Con frecuencia se usa en aplicaciones marinas, por su resistencia a la corrosión en agua salada. M uchas aleaciones de latón también tienen una excelente facilidad de maquinado y se usan en conectores, herrajes y otras panes fabricadas en m áquinas roscadoras. El latón amari­ llo contiene 30% o más de zinc, y con frecuencia contiene una cantidad apreciable de plomo, para mejorar su facilidad de maquinado. El latón rojo contiene de 5% a 15% de zinc. Algunas l aleaciones también contienen estaño, plomo, níquel o aluminio. E l bronce es una clase de aleaciones de cobre con varios elementos diferentes, uno de los cuales suele ser el estaño. Se usan en engranes, cojinetes y otras aplicaciones donde se desea te­ ner buena resistencia mecánica y alta resistencia al desgaste. Las aleaciones de bronce fraguado se consiguen en cuatro tipos: B ronce fo sfo ra d o : Aleación de cobre, estaño y fósforo B ronce fo sfo ra d o con plom o: Aleación de cobre, estaño, plom o y fósforo B ronce a l alum inio: Aleación de cobre y alum inio B ronce a l silicio: Aleación de cobre y silicio

r

61

Sección 2 -17 « P lásticos

Las aleaciones coladas de bronce tienen cuatro tipos principales: B ro n ce a l estaño: Aleación d e cobre y estaño Bronce al estaño con plom o: Aleación de cobre, estaño y plom o B ronce a l n íq u e l y estaño: Aleación de cobre, estaño y níquel B ro n ce al a lu m in io : Aleación de cobre y aluminio La aleación colada llamada bronce a l m anganeso es, en realidad, una forma de latón de alta re­ sistencia, porque contiene zinc, el elem ento aleante característico de la fam ilia del latón, El bron­ ce al manganeso contiene cobre, zinc, estaño y manganeso En el sistema UNS, las aleaciones de cobre se identifican con la letra C, seguida por un número de cinco dígitos. Los núm eros de 10000 a 79900 indican aleaciones forjadas, de 80000 a 99900 se refieren a aleaciones para colar. Vea las propiedades típicas en el apéndice 12.

, 2-16 ALEACIONES A b a s e d e n íq u e l

Con frecuencia, las aleaciones de níquel se usan en lugar del acero, cuando se requiere que funcionen a alta tem peratura y en cien o s am bientes corrosivos. Com o ejemplo están los com ­ ponentes de motores de turbina, piezas de hornos, sistem as de procesam iento quím ico y en com ponentes com plicados de sistem as m arinos (vea la referencia 7). A algunas aleaciones de níquel se les llama superaleaciones, y muchas de las que se usan con frecuencia están patenta­ das. La siguiente lista muestra algunas que se consiguen en el comercio: In c o n e l (In ternational N ickel Co.): A leaciones de níquel y crom o M o n e l (In ternational N ickel Co): A leaciones de níquel y cobre N i-R esist (In tern a tio n a l N ickel Co.): A leaciones de níquel y hierro H astelloy (H aynes Intern a tio n a l): A leaciones de níquel y molibdeno, a veces con cro­ mo, hierro o cobre

2-17 PLÁSTICOS

Los plásticos com prenden una gran variedad de materiales formados por grandes moléculas, lla­ madas polímeros. Los m iles de distintos plásticos se fabrican al com binar distintas sustancias para form ar largas cadenas moleculares. Un método para clasificar los plásticos incluye los térm inos term oplástico y termofijo. En general, los materiales term oplásticos se pueden m oldear repetidam ente, al calentarlos o colar­ los, porque su estructura quím ica básica no cam bia respecto de su forma lineal inicial. Los plás­ ticos term ofijos sí sufren cam bios durante el moldeado, y producen una estructura en la cual las moléculas tienen enlaces cruzados y forman una red de m oléculas interconectadas. Algunos di­ señadores recom iendan los térm inos lineales y con enlaces cruiados en lugar de term oplástico y termofijo, que son más familiares. A continuación se presenta una lista de varios term oplásticos y termofijos que se usan en piezas portátiles, que soportan carga y, por lo m ism o, son de interés para el diseñador de elem en­ tos de m áquinas. Esas listas presentan las ventajas y usos principales de una m uestra de los abun­ dantes plásticos disponibles. El apéndice 13 contiene las propiedades típicas.

Termoplásticos ■ Nylon: Buena resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad, am plia gama de propiedades posibles, que dependen de las cargas y las formulaciones. Se usa en partes estructurales, aparatos mecánicos com o engranes y cojinetes, y en piezas que deben tener resistencia al desgaste. ■ Acrilonitrilo-butadleno-estireno (ABS): B uena resistencia al impacto, rigidez, resis­ tencia m oderada. Se usa en cajas, cascos, estuches, piezas de electrodom ésticos, tubos y sus conexiones.

C apítulo 2 • M ateriales en el d iseño m ecánico

■ Policarbonaw. Excelente tenacidad, resistencia al impacto y estabilidad ditneníionai. Se usa en levas, engranes, cajas, conectares eléctricos, productos para procesam iento de alimentos, cascos y partes de bombas y medidores. •

Acrilico: Buena resistencia a la intem perie y al im pacto. Se puede fabricar con exce­ lente transparencia, o traslúcidos u opacos con colores. Se usa para vidro, en lentes, letreros y cajas.

■ Cloruro d e paliv'milo (PVC, o policloruro de vinilo): Buena resistencia m ecánica, re­ sistencia a la intemperie y rigidez. Se usa en tubos, conductos eléctricos, cajas peque­ ñas, ductos y piezas moldeadas. ■ Pohimida. Buena resistencia m ecánica y al desgaste; muy buena retención de propie­ dades a temperaturas elevadas, hasta 500°F (260°C). Para cojinetes, sellos, aspas gira­ torias y piezas eléctricas. ■ Aceial: A lta resistencia, rigidez, dureza y resistencia al desgaste; baja fricción; buena resistencia a la intemperie y resistencia química. Para engranes, bujes, catarinas, piezas de transportador y producios para plomería. ■ Poliureiano elastómero: Un material elástico con tenacidad y resistencia a la abrasión excepcionales; buena resistencia al calor y a los aceites. Se usa en ruedas, rodillos en­ granes, catarinas, panes de transportador y tubos. ■ Resina poliésler lermopláslico ( PET, o resina de lereflalaio de polietileno. o resino de politerefialato de eiileno): Con fibras de vidrio o minerales. R esistencia y rigidez muy altas, excelente resistencia a las sustancias quím icas y al calor, excelente estabilidad dimensional y buenas propiedades eléctricas. Se usa en piezas de bombas, cajas, pie­ zas eléctricas, piezas de motores, piezas automotrices, manijas de hom os, engranes, catarinas y artículos deportivos. ■ Eiastómero de poliéter-éster: Plástico flexible con excelente tenacidad y residencia, alta resistencia al arrastramiento, al impacto y a la fatiga bajo flexión, buena resisten­ cia química. Se conserva flexible a bajas tem peraturas y conserva buenas propiedades a temperaturas m oderadam ente elevadas. Se usa en sellos, bandas, diafragm as de bom­ bas. botas de seguridad, tubo, resortes y dispositivos de absorción de impacto. Los gra­ dos con alto módulo se pueden usar en engranes y catarinas.

Termofijos ■ Fenólicos: Gran rigidez, buena m oldeabilidad y estabilidad dim ensional, muy buenas propiedades eléctricas. Se usa en piezas portátiles de equipo eléctrico, dispositivo de distribución, tiras de terminales, cajas pequeñas, manijas de electrodom ésticos y uten­ silios de cocina y en piezas mecánicas estructurales. Los termofijos alquídicos, alílicos y amiüo tienen propiedades y usos parecidos a los de los fenólicos. ■ Poliésier: Se conoce como fib ra de vidrio cuando está reforzado con fibras de vidrio; alta resistencia y rigidez, buena resistencia a la intemperie. Se usa en cajas, perfiles es­ tructurales y tableros.

Consideraciones especiales para seleccionar plásticos Con frecuencia se selecciona determinado plástico por la com binación de sus propiedades, c o -' mo bajo peso, flexibilidad, color, resistencia, rigidez, resistencia química, características de ba­ ja fricción o transparencia. La tabla 2-8 m uestra los principales materiales plásticos que se usan en seis tipos distintos de aplicaciones. Las referencias 11 y 23 contienen un extenso estudio com­ parativo de las propiedades de diseño de los plásticos. Si bien la mayor parte de las mismas definiciones de propiedades de diseño que se descri­ bieron en la sección 2-2 de este capítulo, se pueden aplicar a los plásticos igual que a los metales, en el caso típico se necesita una apreciable cantidad de inform ación adicional para especificar

63

Sección 2-17 ■ P lásticos

T A B L A 2-8

A p lica cio n e s de los m ateriales plásticos

Aplicaciones

Propiedades deseadas

Alta resistencia al impacto, rigidez, bajo costo, moldeabilidad, resistencia a la intemperie, estabilidad dim ensional' Bajo coeficiente de fricción; resistencia a la abrasión, al calor y a la corrosión Alta resistencia a la tensión y al impacto, esta­ bilidad a altas temperaturas, maquinables Resistencia química y térmica, buena resistencia, poca absorción de humedad

Cajas, recipientes, duelos

Poca fricción-cojinetes, correderas C o m p o n e n te s c o n a l t a r e s is t e n c i a , e n g r a n e s , le v a s , r o d i l l o s E q u ip o q u í m i c o

C o m p o n e n te s

y

té r m i c o

estructurales eléctricas

C o m p o n e n te s t r a n s m i s o r e s d e

luz

Resistencia eléctrica, resistencia al calor, alta resistencia al impacto, estabilidad dimensional, rigidez Buena transmisión de luz en colores transparentes y translúcidos, moldeabilidad y resistencia a fragmentos

Plásticos adecuados

ABS, poliestiieno, polipropileno, PET, polieúleno, acetato de celulosa, acrílicos Fluorocarbonos TFE, nylon, acetales Nylon, fenólicas, acetales con carga de TFE, PET, policarbonato Fluorocarbonos, polipropileno, polietileno, epóxicos, poliésteres, fenólicos Ahlicas. alquídicas, amínicas, epóxicas. fenólicas, poliésteres, siliconas. PET Acrflicas, poliestireno, acetato de celulosa, vinflicas

un material plástico adecuado. A continuación se m encionarán algunas de las características es­ peciales de los plásticos. Las gráficas de las figuras 2-17 a 2-20 son sólo ejem plos, y no preten­ den indicar la naturaleza general del funcionam iento del material dado. Existe una amplia variedad de propiedades, entre las muchas formulaciones de plásticos, aun dentro de una misma clase. C onsulte la extensa cantidad de guías para diseño que se consiguen con los proveedores de materiales plásticos. 1. La mayor parte de las propiedades de los plásticos son muy sensibles a la temperatura. En general, la resistencia a la tensión y a la com presión, el módulo de elasticidad y la energía de falla al im pacto dism inuyen de forma importante cuando aumenta la tem ­ peratura. La figura 2-17 muestra la resistencia del aylon 66 a la tensión, a cuatro tem pe­ raturas. También observe las formas tan distintas de las curvas esfuerzo-deform ación unitario. La pendiente de la curva en cualquier punto indica el módulo de elasticidad, y usted podrá ver una gran variedad dentro de cada curva. 2. M uchos plásticos absorben una cantidad considerable de humedad del ambiente, y co­ mo resultado m uestran cam bios dim ensionales y degradación de las propiedades de re­ sistencia y de rigidez. Vea la figura 2-18, que muestra el módulo de flexión en función de la temperatura para un nylon en aire seco, con 50% de humedad relativa (RH, de relaiive hum idity) y a 100% RH. Un producto de consum o puede muy bien funcionar en la m ayor parte de este intervalo. A una tem peratura de 20°C (6 8 °F), casi temperatura ambiente, el módulo de flexión dism inuye en forma dram ática desde unos 2900 MPa hasta unos 500 MPa, cuando cam bia la humedad de aire seco a 100% RH. También el producto puede funcionar en un intervalo de tem peratura de 0°C (32°F, punto de con­ gelación del agua) hasta 40°C (104°F). Dentro de este intervalo, e l módulo de flexión del nylon, a 50% de HR, bajaría desde unos 2300 M Pa hasta 800 MPa 3. Los componentes que soportan cargas continuas deben diseñarse para adaptarse al arras­ tramiento o a la relajación. Vea las figuras 2-17 a 2-19 y el problema del ejemplo 2-1. 4. Los datos de resistencia de un plástico a la fatiga deben conocerse para la formulación específica que se use, y a una tem peratura representativa. El capítulo 5 muestra más in­ formación acerca de la fatiga. La figura 2-19 muestra el esfuerzo de fatiga en función de la cantidad de ciclos a la falla, para un plástico de resina de acetal. La curva 1 está a

64

C apítulo 2 ■ M ateriales en el d ise ñ o m ecánico

l

17 l "c

r ~ — — 16000 14000 Temperatura, °F 12 000

McWulo de fíe-xtán, p si

10000

8000 6000 4000

2000

0

10

20

30

40

50

60

70

Deformación unitaria, % de elongación Sí acondicionó la muestra a 50% de humedad relativa

Temperatura °C

F IG U R A 2-17 Curvas de esfuerzo-deform ación unitaria para nylon 66 a cuatro temperaturas (DuPom Polymers, W ilmington, DEI

F IG U R A 2-18 Pie de figura: Efecto de ia tem peratura y la humedad sobre el módulo de flexión del nylon 66 (DuPont Polym ers, W llmington, DE)

~ I ---------------1--------------1800 ciclos por minuto -

23°C (73°F)

C (212 F) 10

l. Sólo esfuerza de tensión 2 ,3 ,4 . Esfuerzos de tensión y de compresión completamente invertidos 10! Ciclos para fallar

FIG U R A 2-15 Esfuerzo de fatiga en función de cantidad de ciclos a la falla, para un plástico aceta] de resina (D uPont Polym ers, W ilmington, DE)

0

1000

2000 3000 4000 Horas de exposición

5000

6000

F IG U R A 2-20 Efecto de la exposición a tem peraturas elevadas de un poüéster tertnoplástico (PET) (D uPont Polymers, W ilmington, DE)

Sección 2-18 ■ M ateriales co m puestos

65

23°C (73°F, cercana a la tem peratura ambiente) con carga cíclica sólo a la tensión, co­ mo cuando se aplica y se quita muchas veces una carga de tensión. L a curva 2 está a la m ism a tem peratura, pero la carga se invierte por com pleto de tensión a compresión, como sería en una viga giratoria o eje, cargada a la flexión. L a curva 3 es la carga in­ vertida de flexión a 66°C (1 50°F) y la curva 4 es la misma carga a 100°C (2I2°F), pa­ ra m ostrar el efecto que tiene la tem peratura sobre los datos de fatiga. 5. Los métodos de procesam iento pueden tener grandes efectos sobre las dim ensiones y propiedades finales de piezas fabricadas con plásticos. Los plásticos moldeados se contraen en forma apreciable al solidificar y curar. Las líneas de partición, que se pro­ ducen donde se encuentran las m itades de m oldes, pueden afectar la resistencia. L a ra­ pidez de solidificación puede variar mucho en determ inada pieza, dependiendo de los espesores de la sección, la com plejidad de la forma y la ubicación de los bebederos que llevan el plástico fundido al molde. El m ism o m aterial puede producir distintas propie­ dades, según si se procesa con m oldeo por inyección, por extrusión, por soplado o m a­ quinándolo en un bloque o una barra sólidos. 6 . Se debe com probar la resistencia a las sustancias quím icas, a la intemperie y demás condiciones ambientales. 7. Los plásticos pueden tener un cam bio de sus propiedades a m edida que envejecen, en especial cuando se someten a temperaturas elevadas. La figura 2-20 muestra la reducción de resistencia a la tensión de un poliéster term oplástico cuando se somete a tem pera­ turas de 160°C (320°F) a 180°C (356°F) durante determ inada cantidad de horas. La re ­ ducción puede ser hasta 50%, en un tiempo tan cono como 200 horas (12 semanas). 8. Se debe considerar la inflam abilidad y las características eléctricas. A lgunos plásti­ cos se form ulan en especia] para tener buenas características contra la inflam abilidad, necesarias según U nderw riters Laboratory (laboratorio de reaseguradoras) y otras agencias. 9. Los plásticos que se usen para alm acenar o procesar alimentos deben cum plir con las normas de la U.S. Food and D rug A dm inistration (Administración de Alim entos y M e­ dicinas de Estados Unidos).

2-18 MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales com puestos están formados p or dos o m ás materiales distintos, que funcionan en conjunto para producir propiedades diferentes, y en general mejores que las de los com ponen­ tes individuales. Los m ateriales com puestos típicos tienen una matriz polimérica de resina, con un material fibroso de refuerzo disperso dentro de ella. Algunos materiales avanzados tienen m a­ triz metálica (vea las referencias 10 y 20). Los diseñadores pueden adaptar las propiedades de los materiales com puestos, para cum ­ plir con las necesidades específicas de determ inada aplicación, al seleccionar cada una de las muchas variables que determ inan el funcionam iento del producto final. Entre los factores bajo control del diseñador están los siguientes: 1. Resina o metal de la matriz 2. Tipo de fibras de refuerzo 3. Cantidad de fibra contenida en el m aterial com puesto 4. Orientación de las fibras 5. Cantidad de capas que se usen 6. Espesor tota] del materia! 7. O rientación de las capas entre sí 8. Combinación de dos o más tipos de materiales compuestos u otros m ateriales en una estructura com puesta.

C a p itu lo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

En forma típica, la carga es un material fuerte y rígido, mientras que la matriz dene una densi­ dad relativamente baja. C uando se unen entre sí los dos materiales, gran parte de la capacidad de carga del material com puesto se debe al material de la carga. La matriz sirve para mantener la caiga en una orientación favorable para la m anera de carga, y para distribuir las cargas al m a­ terial fibroso. El resultado es un material com puesto algo optimizado, que tiene alta resistencia y rigidez, con poco peso. La tabla 2-9 muestra algunos de los materiales com puestos obtenidos con combinaciones de resinas y fibras, y sus características y usos generales. Se puede obtener una variedad virtualmenle ilimitada de materiales com puestos, al com ­ binar distintos materiales de matriz con distintas cargas, en diversas formas y diferentes orien­ taciones. A continuación se presenta una lista d e algunos materiales típicos.

Materiales de matriz Entre los materiales usados con más frecuencia están los siguientes: ■ Polím eros termoplásticos: Polietileno, nylon polipropileno, poliestireno, poliatrudas ■ Polím eros termofijos: Poliéster, epóxicos, fenólicos y polimida ■ Cerámicas y vidrio •

Carbón y grafito

■ M etales: A luminio, magnesio, titanio

Formas de materiales de carga Se usan muchas formas de materiales de carga: •

Hebra continua de fibras, formada por m uchos filamentos individuales unidos entre sí

■ Hebras cortadas en longitudes pequeñas (de 0.75 a 50 mm o 0.03 a 2.00 pulg) » Hebras cortadas al azar, dispersas en forma de estera ■ M adeja: un grupo de hebras paralelas ■ Tela tejida con m adejas o hebras ■ Filamentos o alambres de metal ■ M icroesferas macizas o huecas ■ Hojuelas de metal, vidrio o mica •

Hilos de monocristal, de materiales com o grafito, carburo de silicio y cobre

T A B L A 2 -9

E jem plos de m ateriales com puestos y sus aplicaciones

Tipo de compuesto V¡df to /e p ó x ic n

Boro/epóxico Grafito/epóxico A ram ida/epÓ M C o

Vídrio/poliéster

Aplicaciones típicas Rezas p a ra automóviles y aviones, tanques, artículos deportivos, tarjetas de circuitos impresos Estructuras y estabilizadores de aviones, anículos deportivos Estructuras d e aviones y aeroespaciales, artículos deportivos, e q u ip o s agrícolas, aparatos de manejo d e materiales, aparatos médicos Recipientes a presión d e filamento devanado, estructuras y equipos aeroespaciales, ropa de protección, componentes de automóvil Compuesto de lá m in a moldeada (SMC), carrocerías para camiones y automóviles, cajas grandes

S e c c ió n

2-18 ■ M ateriales com puestos

67

1Tipos de materiales de carga Las cargas, que también se llaman fib ra s, se consiguen en muchos tipos fabricados con materia­ les orgánicos e inorgánicos. Las siguientes son algunas de las cargas más comunes: ■ Fibras de vidrio en cinco tipos diferentes: Vidrio A: Buena resistencia quím ica porque contiene álcalis com o óxido de sodio Vidrio C: Form ulaciones especiales para tener una resistencia química todavía mayor que la del vidrio A Vidrio E: M uy usado, con buena capacidad de aislamiento eléctrico y buena resistencia Vidrio S: Vidrio de alta resistencia, para alta temperatura Vidrio D: M ejores propiedades eléctricas que el vidrio E ■ Fibras de cuarzo y alta süice: B uenas propiedades a altas temperaturas, hasta 2000',F (1095°C) ■ Fibras de carbón, hechas con carbono y base PAN (PAN es poliacrilonitrilo): 95% de carbono, con un módulo de elasticidad muy grande ■ Fibras de grafito: M ás de 99% de carbono, y un módulo de elasticidad todavía mayor que el del carbono simple; son las fibras más rígidas de uso frecuente en los m ateria­ les compuestos ■ Fibras de tungsteno recubiertas de boro: B uena resistencia y un módulo de elasticidad m ayor que el del vidrio ■ Fibras de tungsteno recubiertas de carburo de silicio: Resistencia y rigidez parecidas a las del boro/tungsteno, pero con m ayor resistencia a la temperatura ■ Fibras de aramida: Un m iem bro de la fam ilia de poliamídas; m ayor resistencia y rigi­ dez, con m enor densidad cuando se compara con el vidrio; muy flexibles. (Las fibras de aram ida que produce D uPonl Company tienen el nom bre Kevlar™).

Procesamiento de materiales compuestos Un método de uso frecuente para producir artículos de materiales compuestos consiste en colocar primero capas de telas en form a de láminas sobre un molde que tiene la forma adecuada, para entonces impregnar la tela con resina líquida. Se puede ajustar la orientación de cada capa de te­ la, para producir propiedades especiales en el artículo terminado. Después de terminar el tendi­ do y la impregnación con resina, todo el sistema se somete al calor y a la presión, mientras un agente de curado (catalizador) reacciona con la resina base, para producir enlaces cruzados que pegan todos los elem entos formando una estructura tridim ensional unificada. El polím ero se pe­ ga a las fibras y las mantiene en su posición y orientación preferente durame el uso. Un método alterno para fabricar productos con materiales com puestos com ienza con un proceso de im pregnación previa de las fibras con la resina, para producir hebras, cintas, trenza­ dos o láminas. La forma que resulla, llamada prepreg, se puede apilar entre capas o eniretejer sobre un molde, y producir la forma y el espesor necesarios. El paso final es el ciclo de curado, com o el que se describió en los procesos con líquidos. Los materiales compuestos a base de poliéster se producen con frecuencia como compuesms de m oldeo de láminas (SM C , de sheet-nw lding com pounds). donde se colocan láminas de lela preimpregnadas en un molde y se moldean y curan al m ism o tiempo, bajo la acción de calor y presión. De esta m anera pueden fabricarse grandes partes de carrocerías para automóviles. La extrusión es un proceso en el que el refuerzo de fibra se recubre con resina al mo­ m ento de ser estirado para pasar por una hilera calentada, para producir una forma continua del contomo necesario. Esie proceso se usa para producir varilla, tubos, perfiles estructurales (viga I, canales, ángulos, entre otros), tes y piezas de remate, que se usan com o rigidizadores en estruc­ turas de avión.

C ap ítu lo 2 ■ M ateriales en el d iseño m ecánico

El devanado de filam ento se em plea para fabricar tubos, recipientes a presión,‘cajas de motores cohete, cajas de instrumentos y recipientes con formas com plicadas. El filamento con-! licuó se puede tender en una diversidad de m aneras, com o helicoidal, axial y circunferencial, para obtener las características necesarias de resistencia.

Ventajas de los materiales compuestos En el caso típico, los diseñadores tratan de producir artículos que sean seguros, resistentes, rígi­ dos, livianos y muy tolerantes al am biente donde funcionarán. Con frecuencia, los materiales com puestos rebasan el cum plim iento de esos objetivos, en com paración con m ateriales alter­ nos como metales, m adera y plásticos sin carga. Para com parar los m ateriales, se manejan dos j parámetros: resistencia específica y m ódulo específico, que se definen com o sigue: Resistencia específica es la relación de resistencia a la tensión de un material entre su peso especifico. M ódulo específico es la relación del módulo de elasticidad de un material entre su peso específico. Como el módulo de elasticidad es una m edida de la rigidez de un material, a veces se le llam a. rigidez específica. Aunque es obvio que no son longitudes, estas dos cantidades tienen la unidad de longitud, debido a la relación de las unidades de resistencia o del módulo de elasticidad, y las del peso espe­ cífico. En el Sistema Estadounidense Tradicional, las unidades de la resistencia a la tensión y del módulo de elasticidad son Ib/pulg1, mientras que las del peso específico (peso por unidad de volu­ men) son lb/pulg’. Así, la unidad de resistencia específico o de módulo específico es la pulgada. En el SI, la resistencia y el módulo se expresan en N/m2 (paséales), mientras que el peso específico está en N/m3. Entonces, la unidad de resistencia específica o de módulo específico es el metro. La tabla 2-10 muestra comparaciones de la resistencia específica y la rigidez específica de algunos materiales compuestos, con ciertas aleaciones de acero, aluminio y titanio. La figura 2-21 muestra una comparación de esos materiales por medio de gráficas de barras. La figura 2-22 es una gráfica de esos datos, con la resistencia específica en el eje vertical y el módulo específico en el horizontal. C uando el peso es crítico, el material ideal estaría en la parte superior derecha de es­ ta gráfica. Tenga en cuenta que en estas tablas y figuras, los datos son para materiales compuestos que tienen su caiga alineada en la dirección más favorable para resistir las cargas aplicadas. Las ventajas de los materiales com puestos se pueden resum ir así: 1. Las resistencias específicas de los m ateriales com puestos pueden ser hasta cinco ve­ ces mayores que las de las aleaciones de acero de alta resistencia. Vea la tabla 2-10 y las figuras 2 -2 1 y 2-22. 2. Los valores de módulo específico, para los materiales com puestos, pueden ser hasta ocho veces mayores que los del acero, aluminio o aleaciones de titanio. Vea la tabla 2-10: y las figuras 2-21 y 2-22. 3. En forma típica, los m ateriales com puestos funcionan mejor que el acero o el alumi­ nio en aplicaciones en las que las cargas cíclicas pueden causar el potencial de falla por fatiga. 4. C uando se esperan cargas de im pacto y vibraciones, los m ateriales com puestos se pue' den formular en forma especial, con materiales que produzcan alta tenacidad y un al­ to nivel de amortiguamiento. 5. Algunos materiales compuestos tienen una resistencia al desgaste m ucho m ayor qut la de los metales. 6. Con una selección cuidadosa de los m ateriales de matriz y carga se puede obtener uní resistencia a la corrosión superior. 7. Los cam bios dimensionales debido a cam bios de tem peratura son, en el caso típico, mucho menores en los materiales com puestos que en los metales.

69

Sección 2 -18 ■ M ateriales co m pu e sto s

TA BLA 2-1 0

C o m p aració n d e resistencia esp ecífica y m ó d u lo esp ecífico para algunos m ateriales Resistencia

Peso

Resistencia

Módulo

a la tensión, su

específica

específico

(ksi)

específico, y (lb/pulg3)

(pulg)

(pulg)

55 263

0.283 0.283

0.194 X 104 0.929 X 106

1.06 X 10s 1.06 X 10a

45 83

0.098 0.101

0.459 X 106 0.822 X 106

1.02 X 10a 0.99 X 10s

160

0.160

1.00 X 106

1.03 X 10a

Vidrio/epóxico (£ = 4.0 X ](f psi) Contenido: 34% de fibras

114

0.061

1.87 X 106

0.66 X 10a

Aramida/epóxico(£ = 11.0 X 106 psi) Contenido: 60% de fibras

200

0.050

4.0 X 106

2.20 x 10“

Boro/epóxico (£ = 30.0 X 10* psi) Contenido: 60% de fibra

270

0.075

3.60 X 106

4.00 x 10®

Gnafiio/epóxico (£ = 19.7 X 10* psi) Contenido: 62% de fibra

278

0.057

4.86 X 104

3.45 X 10a

160

0.058

2.76 X 106

8.28 X 10a

Material Metales A cero ( £ =

30 x

106 psi>

AISI 1020 HR AIS! 5160 OQT 700 A lum inio (£ = 10.0 X 106 pst)

606I-T6 7075-T6 Titanio (£ = 16.5 x I06 psi) TÍ-6A1-4V, templado y estabilizado a I000aF Materiales compuestos

Grafito/epóxico (£ = 48 X 106 psi) Módulo ultraalto

8 . Ya que los materiales com puestos tienen propiedades muy direccionales, los diseña­ dores pueden adaptar el tendido de las fibras de refuerzo en las direcciones que pro­ duzcan la resistencia y rigidez necesarias, bajo las condiciones específicas de carga que se vayan a encontrar. 9. Las estructuras de m ateriales com puestos se pueden fabricar con frecuencia en formas complicadas, de una pieza, para entonces reducir la cantidad de piezas en un produc­ to y la cantidad de operaciones de atornillado necesarias. En el caso típico, la elim ina­ ción de juntas m ejora tam bién la fiabilidad de esas estructuras. 10.

Las estructuras de m aterial com puesto se fabrican en forma directa con su forma final, o en una forma casi neta, con lo q ue se reduce la cantidad de operaciones secundarias necesarias.

■Limitaciones de los materiales compuestos Los diseñadores deben balancear m uchas de las propiedades de los materiales en sus diseños y al mismo tiempo considerar las operaciones de m anufactura, costos, seguridad, duración y ser­ vicio del producto. A continuación se enlistan algunas de las principales desventajas de usar ma­ teriales compuestos. 1. Los costos de m ateriales com puestos suelen ser mayores que los de m uchos m ateria­ les altemos. 2. Las técnicas de fabricación son muy distintas a las que se usan para conform ar los m e­ tales. Se podrá necesitar equipo nuevo de fabricación, junto con más capacitación a los operadores de producción.

C ap itu lo 2 ■ M ateriales en el diseño m ecánico

I 0 6 p u lg ) (X específica

específica (X Rigidez

Resistencia

1 0 8 p u lg )

70

1020HR

5160

606I-T6

7075-T6 TI-6A1-4V epóxico

epóxico

epóxico

epóxico

Q Q T700

M etales FIG U R A 2-21

epóxico (Módulo ultraalto).

M ateriales compuestos

Com paración de resistencia específica y rigidez específica de algunos metales y materiales compuestos 3. El desempeño de los producios fabricados con algunas técnicas de producción de ma­ teriales compuestos está sujeto a un intervalo de variabilidad m ayor que el de los pro­ ductos fabricados con la m ayor parte de las técnicas de fabricación de metales. 4. Los límites de tem peratura de funcionajoiento para los materiales com puestos que tie­ nen matriz de polímero suelen ser de 500°F (260°C). (Pero los materiales compuestos con matriz de cerám ica o de metal pueden m anejarse a mayores temperaturas, como las que se encuentran en los motores de combustión.) 5. Las propiedades de los materiales com puestos no son isotrópicas: las propiedades va­ rían mucho con la dirección de las cargas aplicadas Los diseñadores deben considerar esas variaciones, para asegurar la seguridad y el funcionam iem o satisfactorio bajo to­ da clase de cargas esperadas.

Sección 2-18 ■ M ateriales com puestos

71

FIG U R A 2-22 Resistencia específica en función del módulo específico, para algunos metales y materiales compuestos

'C o m p u e sto de grafi o/epóxico

Cor ipuesto de aramida/epó> ico 1 1 C om puesto de b

_/

0.47

/>* tJ> -f)* K = -2i