Las Teorías de Falla de Elementos Mecánicos

 

 Ingeniería Electrome Electromecánica cánica

Diseño de Elementos de Máquinas  _________________________________   __________________ _______________ 

Tarea 1.1 Investigación  _________________________________   __________________ _______________  Parcial 1 Unidad 1

Grado y Grupo: 5° “B” I.E.M

28 de septiembre del 2020

 

Índice Las teorías de falla de elementos mecánicos.................................. mecánicos................................................. ............................. ................................... ......................3 .3 Materiales dúcles...................... dúcles..................................... ............................. ............................. .............................. ............................. ........................................3 ..........................3 Teoría de energía de distorsión.......................... distorsión......................................... .............................. ............................. ............................. ............................ .............3 3 Teoría del esfuerzo cortante máximo........................... máximo......................................... ............................. .............................. ............................. ..................4 ....4 Mohr Coulomb dúcl.......................... dúcl........................................ ............................. .............................. ............................. ........................................ ............................. ...4 4 Materiales frágiles........................ frágiles....................................... ............................. ............................. ............................. ............................. .............................. ......................... ..........5 5 Teoría del esfuerzo normal máximo........................... máximo.......................................... .............................. ............................. ..................................5 ....................5 Teoría de Coulomb-Mohr.................. Coulomb-Mohr................................ ............................. ............................. ............................. .............................. ............................... ................ 6 Teoría de Mohr Modicada.................... Modicada................................... ............................. ............................. .............................. ............................. .........................6 ...........6 Faga.......................... Faga........... ............................. ............................. .............................. ............................. ............................. .............................. ............................. ............................. .................. ...7 7 Mecanismo de falla por faga.............................. faga............................................. ............................. ............................. ............................. .............................. ................7 7 Factores que afectan la falla por faga................................ faga.............................................. ............................. ............................................ ............................. 9 Efectos de la carga............................ carga.......................................... ............................. ............................. ............................. .............................. ............................. ................. ...9 9 Efectos del tamaño......................... tamaño........................................ ............................. ............................. ............................. ............................. .............................. ................... ....9 9 Efectos de la supercie...................... supercie..................................... ............................. ............................. ............................. ............................. ...............................9 ................9 Temperatura..................... Temperatura...... ............................. ............................. .............................. ............................. ............................. ......................................... .............................. ....10 10 Conabilidad................. Conabilidad... ............................. ............................. ............................. .............................. ............................. ................................................ .................................. 11 Ambiente...................... Ambiente....... ............................. ............................. .............................. ............................. ............................. .............................. ............................. .................... ......11 11 Referencias.................. Referencias... ............................. ............................. .............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ..............................12 ...............12

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Las teorías de falla de elementos mecánicos Materiales dúctiles Un material se considera dúctil cuan do ϵf  ≥  ≥ 0.05, con una resistencia a la fluencia identificable que usualmente es la misma en tracción y compresión ( S yt = Syc = Sy)

 figura 1. Curva de esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de un mate material rial Dúctil.

Si bien los materiales dúctiles se fracturan si se esfuerzan estáticamente más allá de su resistencia última a la tensión, por lo general se considera que fallan como piezas de una máquina cuando ceden bajo una carga estática. La resistencia a la fluencia de un material dúctil es mucho menor que su resistencia última.

 figura 2. Curvas de ingeniería ingeniería y de esf esfuerzo-deformación uerzo-deformación unitaria re reales ales para materiales dúctiles: (a) Acero al bajo carbono.. carbono

Teoría de energía de distorsión La falla ocurrirá en la parte compleja cuando la energía distorsión por volumen unitario exceda una prueba de tensión simple en la falla. La energía de distorsión asociada con una fluencia es:

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 f igura igura 3. Elipse normalizada de la energía de distorsión bidimensional para la resistencia a la fluencia del material.

Teoría del esfuerzo cortante máximo Establece que la falla ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo en una pieza excede el esfuerzo cortante por fluencia en una muestra sujeta a tensión (la mitad de la resistencia de fluencia por tensión). Esto predice que la resistencia a la fluencia por cortante de un material es: Sys = 0.50Sy Factor de seguridad:

 figura 4. Se muestra la falla hexagonal encerrada por las las dos teorías bidimensionales bidimensionales de cortante máx máximo, imo, superpuestas  sobre la elipse de la energía de distorsión distorsión..

Mohr Coulomb dúctil La teoría se aplica a los materiales para los que la resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la tracción, caso de los materiales cerámicos. La teoría explica que el corte de un material se produce para una combinación entre tensión normal y tensión tangencial, y que cuanto mayor sea la tensión normal, mayor la tensión tangencial para cortar el material.

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 figura 5. Lugar geométrico de la falla tridimensional tridimensional para la teoría de Coulomb-Mohr 

Materiales frágiles Un material se considera frágil cuando ϵf < 0.05, con una resistencia a la fluencia que no es identificable. Típicamente se clasifican por resistencias últimas a la ∂ Típicamente se clasifican por resistencias últimas a la tensión ( Sut) y a la compresión ( Suc ).

 f igura igura 6. Curva de d e esfuerzo-deformación de un material Dúctil. Los materiales frágiles se fracturan en vez de ceder. c eder. Se considera que la fractura frágil por tensión se debe únicamente al esfuerzo de tensión normal y, por lo tanto, en este caso es aplicable la teoría del esfuerzo normal máximo. La fractura frágil por compresión se debe a alguna combinación de un esfuerzo de compresión normal y un esfuerzo cortante, y requiere una teoría de falla diferente.

Teoría del esfuerzo normal máximo establece que la falla ocurrirá cuando el esfuerzo normal en la muestra alcance algún límite

de resistencia normal, tal como la resistencia a la fluencia por tensión o la resistencia última a la tensión. Factor de seguridad:

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 figura 7. Se muestra la envoltura de la fall falla a bidimensional en la tteoría eoría del esfuerzo esfuerzo..

 Teoría de Coulomb-Mohr En el laboratorio una muestra del material se conforma como una viga en rotación a la cual se aplica un momento flector puro, de forma que el esfuerzo varía de tensión máxima a compresión máxima. 

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Materiales uniformes: son los que tienen tendencia a tener una resistencia a compresión igual a la resistencia de tensión. Materiales no uniformes: son los materiales que tienen una resistencia mucho mayor  a la compresión de tensión.

Coulomb-Mohr, omb-Mohr, de Mohr modificada y esfuerzo máximo normal para materiales materiales no uniformes  figura 8. Teorías de Coul  frágiles.

 Teoría de Mohr Modificada Se trata de la teoría de falla preferida para materiales no uniformes frágiles con carga estática.

Si los esfuerzos principales en 2-D se ordenan como σ 1 > σ3, σ2 = 0, entonces, tan sólo necesitan dibujarse los cuadrantes primero y cuarto de la  gura 9, donde se gracan los esfuerzos normalizados por N/Sut, donde N es el factor de seguridad.

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 figura 9. Teoría de falla falla de Mohr 

Fatiga el problema de fatiga es un fenómeno por el cuál un componente metálico sometido a cargas variables en el tiempo puede sufrir el fallo catastrófico tras un determinado número de ciclos de amplitud menor al límite de rotura. El término falla por fatiga se mantuvo y se usa aún para describir cualquier falla como consecuencia de los ciclos de carga invertida.

Mecanismo de falla por fatiga Las fallas por fatiga comienzan siempre como una un a grieta, la cual quizás haya estado  presente en el material desde su manufactura, o tal vez se desarrolló con el paso del tiempo debido a la deformación cíclica alrededor de las concentraciones de esfuerzos. Fischer y Yen han demostrado que prácticamente todos los miembros estructurales tienen discontinuidades, que van desde microscópicas (