7. Propiedades Mecánicas

Objetivo General: Identificar la importancia del efecto de la microestructura de los materiales sobre sus propiedades mecánicas para la selección de los mismos.

Objetivos Específicos:

Determinar la resistencia y el módulo de elasticidad a través de diagramas esfuerzo-deformación.
Diferenciar cualitativamente entre diagramas esfuerzo-deformación para los diferentes tipos de materiales.
Describir las diferencias entre los modelos de Kelvin y Voigt para la viscosidad a través de sus ecuaciones.
Calcular la relación de Poisson.
Relacionar el esfuerzo tensil con el esfuerzo flexural.
Distinguir entre esfuerzo de ruptura, esfuerzo de cadencia y resistencia tensil.
Distinguir entre materiales dúctiles y frágiles.
Entender el efecto de la velocidad de escurrimiento sobre las propiedades mecánicas.
Identificar los diferentes tipos de escurrimiento mecánico.
Aplicar principios de superposición tiempo-temperatura al módulo de polímeros.
Describir los efectos de la temperatura, peso molecular y esfuerzo-deformación sobre las propiedades de polímeros.
Calcular el módulo de elasticidad axial y transversal para materiales compuestos reforzados con fibras y laminados.
Describir la estructura de materiales biológicos blandos y duros que generan sus propiedades únicas.
Utilizar las propiedades mecánicas como criterio en la selección de un material candidato apropiado para una aplicación específica.

Competencia a desarrollar:

Seleccionar los materiales de manera eficiente y disminuyendo los costos en ingeniería de procesos y para la formulación de productos.

Guía de Materiales de Ingeniería Química:

5_Propiedades Mecánicas

8_Materiales Compuestos

Ejercicios de Propiedades Mecánicas:

1. (a) ¿Cuál es la diferencia entre un microcostituyente y una fase en equilibrio? (b) Nombre los tipos de procesamiento a través de los cuales se puede endurecer un material.

1. ¿Qué causa el crecimiento de grano?

a) La expansión térmica de los granos.

b) Granos más grandes pueden contener más defectos, haciéndolos entrópicamente más favorables.

c) El rearreglo de los límites de grano en posiciones cristalográficas de más baja energía.

d) La reducción del área de límite de grano, debido a que los límites de grano son sitios de alta energía.

2. ¿Cuál de los siguientes factores afecta el esfuerzo de cedencia? Responda si o no

a) La geometría de la muestra

b) La resistencia del retículo cristalino

c) La interacción dislocación/movilidad

d) El tamaño de grano

e) La resistencia tensil

f) La presencia de precipitados de partículas

3. ¿Cuál de los siguientes factores puede afectar la resistencia de un material al crecimiento de una fractura, es decir la tenacidad? Responda si o no

a) Temperatura

b) Velocidad de escurrimiento

c) Esfuerzo aplicado

d) Indentaciones y fallas

e) Tamaño de grano y forma

4. Una alta energía de impacto está relacionada con: Responda si o no

a) Una alta energía de escurrimiento en el punto de cedencia

b) El mecanismo de falla por deslizamiento

c) La alta energía de superficie

5. Pruebas de impacto fueron realizadas para tres materiales en un rango de temperaturas, y los resultados se encuentran graficados como se muestra

Usando estos datos sugiera cual de los tres sería más adecuado para las siguientes aplicaciones:

a. Absorbedores de impactos a temperaturas menores a 0 C.

b. Un componente que se fracture antes de deformarse a temperatura ambiente.

6. ¿Porqué los plásticos muestran una transición frágil a dúctil al calentarlos?

7. Los materiales elastómeros se expanden cuando son calentados porque:

a) La media de la distancia interatómica incrementa a medida que la energía térmica de los átomos aumenta

b) El material ocupa volumen adicional obligando al material a expandirse

c) El material se funde

d) Hay más enlaces químicos que se forman

2. Usted como ingeniero de procesos se encuentra asignado a la unidad recuperadora de azufre (figura 1) de una refinería. En el transcurso del año han ocurrido dos eventos que ocasionaron la parada de la planta para el mantenimiento y refacción de equipos. El primer evento consistió en la ruptura y fuga de agua y gases del último condensador y fue causado por un error en el cálculo de la resistencia tensil del material. El segundo evento fue causado por un incremento súbito de la temperatura (T =1000 F) de la chimenea del incinerador provocando el colapso de la estructura de la chimenea por disminución de la resistencia del metal del cual estaba construida. En la reunión de parada y en el comité de investigación se debe decidir el material del cual tienen que estar construidos ambos equipos para que no ocurran de nuevo las fallas. El ingeniero de materiales se encuentra ausente de la refinería por un periodo de 1 mes. Usted es el ingeniero que debe recomendar la selección de los materiales para la construcción de los nuevos equipos a partir de los datos de laboratorio obtenidos por el ingeniero de materiales antes de su partida. Los equipos deben ser diseñados para que resistan al menos por un periodo de 3 años el cual es el mínimo de tiempo programado para las paradas de planta. Los datos obtenidos de los posibles materiales que se pueden seleccionar se presentan en el reporte anexo.

a) Determine el material del cual debe ser construido el último condensador. Calcule las propiedades mecánicas que deben ser utilizadas para justificar su selección. Si recomienda un acero muestre el número AISI del mismo y calcule las cantidades de las fases en el equilibrio y microconstituyentes. Dibuje la microestructura que posee el acero a una temperatura entre 712 y 900 C y a temperatura ambiente.

b) Determine el material del cual debe ser construida la chimenea. Calcule las propiedades mecánicas que deben ser utilizadas para justificar su selección. Recomiende una composición de la aleación y calcule las cantidades de las fases en el equilibrio y microconstituyentes . Dibuje las microestructuras que posee la aleación cuando es enfriada desde 1400 F hasta temperatura ambiente.

c) Basado en las condiciones de Hume Rothery, ¿Las aleaciones utilizadas poseen solubilidad sólida ilimitada? Explique.