MATERIALS SELECTION IN MECHANICAL DESIGN

Granados Sánchez Eduardo Javier

CHAPTER 1INTRODUCTION

INTRODUCTION.“diseño” es una de las palabras que puede significar millones de cosas para las personas. Cada una de las cosas que existen en este planeta es diseñada todos los días, desde los más pequeños juguetes para niños hasta los excavadores de diamantes en Rusia. Lo que concierne a componentes mecánicos, cada uno de ellos tiene distintas propiedades como temperatura de uso, capacidad de uso, vida útil, y están expuestos a diferentes medios corrosivos o de algún tipo de alteración que afecte su estructura, cada uno de ellos está diseñado y compuesto con uno o más materiales. Los materiales han tenido un sinfín de usos a lo largo de la historia, pero los materiales han tomado un rumbo esencial en la vida de la mecánica los últimos 200 años.

MATERIALS SELECTION IN MECHANICAL DESIGN

CHAPTERS 1-4

MATERIALS IN DESIGN.Diseño es el proceso de trasladar una nueva idea o una necesidad del mercado con una detallada información de como el producto debe ser manufacturado. Dentro de estas etapas el diseño necesita pasar por la decisión de la selección de materiales para cada producto y como debe ser este manufacturado.

El número de materiales que se pueden utilizar en un diseño corren el alrededor de 120,000 de distintos tipos como los ya grandes grupos conocidos.

Pero ¿cómo hará el ingeniero para poder determinar el material adecuado para su diseño? ¿Con su experiencia? en el pasado los diseños principalmente se basaba en la apariencia del producto terminado, focalizándose en las propiedades como color, aditamentos, que son efectos visuales para el consumidor, pero hoy en día se debe diseñar con respecto a la viabilidad, manufactura, vida útil y cada uno de ellos deberá contar con los materiales necesarios y no más para poder llevar al éxito un producto.

La elección del material no se debe de hacer independientemente de la elección del proceso por el cual se llevará a cabo la manufactura del producto. Es aquí donde una parte fundamental dentro de una empresa lleva a cabo su trabajo: los costos.Esto influye directamente en la elección del material y el proceso por el cual se realizará el producto, ya que depende fundamentalmente del capital con el cual la empresa cuente para lanzar al mercado un nuevo producto que además, sea amigable con el ambiente. Como vemos no todo buen producto solo lleva buena ingeniería.Los problemas de diseño siempre están a la orden del día. No siempre puede haber una solución para un diseño, si no que puede haber más que también superen otras. Esto es un problema no sólo del diseño si no también de la enseñanza de la ingeniería la cual siempre se contempla una sola manera de realizar los distintos problemas.Para esto la única arma del diseñador deberá ser una mente abierta, la cual nos da la voluntad de considerar todas las posibilidades. Sin embargo, una red echada ampliamente atrae a muchos peces. Un procedimiento es necesario para la selección de lo excelente desde lo simplemente bueno.

Las ideas de los atributos de los materiales y procesos se han introducido. Las ideas de los atributos materiales y procesos se introducen. Ellos se asignan en los gráficos de

selección de materiales y de procesos que muestran la disposición de la tierra, por así decirlo, y simplificar la encuesta inicial para los posibles candidatos-materiales. La vida real implica siempre una conflictiva masa de objetivos de minimización mientras que al mismo tiempo se pueda reducir al mínimo el costo.La interacción entre material y la forma pueden ser construidos en el método. Tomados en conjunto, estos sugieren esquemas para la ampliación de los límites del comportamiento de los materiales mediante la creación de híbridos de combinaciones de dos o más materiales, formas y configuraciones con perfiles de propiedades únicas.

A lo largo de la historia, los materiales tienen un diseño limitado. Las edades en las que el hombre tiene vivido son nombrados por los materiales que utilizó: piedra, bronce, hierro. Esta no es la edad de un material, es la edad de una inmensa gama de materiales. Nunca ha habido una época en la que su la evolución fue más rápido y la gama de sus propiedades más variada. El menú de los materiales se ha expandido tan rápidamente que los diseñadores que salieron de la universidad de 20 años pueden ser perdonados por no saber que la mitad de ellos existen.

Esta evolución y su ritmo creciente se ilustran en la figura. Los materiales de la prehistoria (> 10.000 bc, la edad de piedra) fueron la cerámica y vidrios, polímeros naturales, y compuestos. Armas-siempre el pico de tecnología era de madera y pedernal; edificios y puentes de piedra y madera. De origen natural de oro y plata fueron disponibles a nivel local y, a través su rareza, asumió gran influencia como moneda, pero su papel en la tecnología era pequeño.

CHAPTER 2THE DESIGN PROCESS

Es el diseño mecánico con el que estamos principalmente enfocados; se trata con los principios físicos, el buen funcionamiento y la producción de sistemas mecánicos. Esto no significa que ignoremos el diseño industrial, que habla de modelo, color, textura, y (sobre todo) de la apelación de los consumidores, pero eso viene después. El punto de partida es un buen diseño mecánico, y

las formas en que la selección de los materiales y procesos contribuyen a ella. El punto inicial es una necesidad del Mercado o una nueva idea; el punto final es una plantilla detallada delas especificaciones del producto que son necesarias para realizar la idea. Una necesidad debe ser identificada antes de que pueda cumplirse. Es esencial para definir la necesidad precisamente, es decir, para formular una declaración necesidad, a menudo en la forma: '' es un dispositivo necesario para realizar la tarea X '', expresado como un conjunto de requisitos de diseño. Escritores en el diseño de destacar que la declaración y su elaboración en el diseño requisitos deben ser-solución neutra para evitar el pensamiento estrecho limitado por prejuicios. Entre la declaración de necesidad y las especificaciones del producto se encuentran el conjunto de etapas se muestra en la Figura. Las etapas de conceptual, realización y detallado diseños, explican en un momento.

El diseño procede por el desarrollo de conceptos para llevar a cabo las funciones de la estructura de función, cada uno basado en un principio de trabajo. Ante esto, la conceptual etapa de diseño, todas las opciones están abiertas: el diseñador considera conceptos alternativos y las formas en que estos podrían ser separados o combinados. La próxima etapa, realización, toma los conceptos prometedores y trata de analizar su funcionamiento a un nivel aproximado. Esto implica dimensionamiento de los componentes, y seleccionando materiales que llevarán a cabo adecuadamente en los rangos de tensión, temperatura, y ambiente sugerido por los requisitos de diseño, examinando las implicaciones para el rendimiento y el costo. La etapa de realización termina con un diseño factible, que luego se pasa a la fase de proyecto.Aquí las especificaciones para cada componente se elaboran. Los componentes críticos pueden ser sometidos a precisa análisis mecánico o térmico. Métodos de optimización se aplican a los componentes y grupos de componentes para maximizar el rendimiento. Una elección final de la geometría y el material se hace y se analizan los métodos de producción y presupuestado. La etapa termina con una especificación detallada de la producción.

Diseño original se trata de una nueva idea o principio de funcionamiento. Nuevos materiales pueden ofrecer nuevas combinaciones únicas de propiedades que permiten diseño original. A veces, el nuevo material sugiere que el nuevo producto; a veces en lugar del nuevo producto exige el desarrollo de un nuevo material. Diseño adaptable o de desarrollo toma un concepto existente y busca un avance gradual en el rendimiento a través de un refinamiento del trabajo principio.Variante del diseño implica un cambio de escala o dimensión o detallando sin el cambio de la función o el método de lograrlo.Las herramientas permiten el modelado y la optimización de un diseño, lo que facilita los aspectos rutinarios de cada fase. Función-modeladores sugiere estructuras funcionales viables. Optimizadores de configuración sugieren o perfeccionar las formas.Paquetes de modelado de sólidos geométricos y 3D permiten la visualización y crear archivos que se pueden cargar hacia abajo a control numérico de prototipos y los sistemas de fabricación. Optimización, DFM, DFA, y el costo-estimación de software permite a los aspectos de fabricación para ser refinado. De elementos finitos (FE) yDinámica de Fluidos Computacional paquetes (CFD) permiten precisa mecánica y análisis térmico incluso cuando la geometría es compleja y las deformaciones son grande. Hay una progresión natural en el uso de las herramientas como el diseño evoluciona: análisis aproximado y modelado en la etapa conceptual; más sofisticado modelado y la optimización en la etapa de realización; y el análisis preciso en la fase de proyecto.Selección de materiales entra en cada etapa del diseño. La naturaleza de los datos necesaria en las primeras etapas difiere en gran medida en su nivel de precisión y amplitud desde que necesitaban más tarde En la etapa de concepto, el diseñador requiere de propiedad valores aproximados, pero para la mayor cantidad posible gama de materiales. Todas las opciones están abiertas: un polímero puede ser la mejor opción para un concepto, un metal a otro, a pesar de que la función es la misma.

En la etapa de realización, el paisaje se ha reducido. Aquí necesitamos datos para un subconjunto de los materiales, pero a un nivel más alto de precisión y detalle. Estos son encontrados en los manuales más especializados y software que se ocupan de una sola clase o subclase de materiales.La etapa final de diseño detallado requiere un nivel aún más alto de precisión y detalle, pero por sólo una o unas muy pocos materiales. Dicha información se encuentra mejor en las fichas de datos emitidos por los productores de materias ellos mismos, y en detalle bases de datos para las clases de materiales restringidos.

La selección de un proceso de material y no se puede separar de la elección de dar forma. Usamos la palabra '' forma '' para incluir el, macro-forma externa, y cuando sea necesario, la forma de micro interna, o, como en un panal o celular estructura. Para hacer la forma, el material se somete a los procesos que, colectivamente, llamaremos fabricación: incluyen procesos primarios que forman (como fundición y forja), procesos de eliminación de material (mecanizado, perforación), procesos de acabado (como el pulido) y procesos de unión (por ejemplo, soldadura). Función, material, forma y proceso interactúan dictados de función la elección del material y forma. Proceso está influenciada por el material: por su confortabilidad, maquinabilidad, soldabilidad, el calor-tratabilidad, y así sucesivamente. Proceso obviamente, interactúa con la forma-proceso determina la forma, el tamaño, la precisión y, por supuesto, el costo. Las interacciones son de dos vías: la especificación de forma restringe la elección del material y el proceso; pero igualmente la especificación del proceso limita los materiales que puede utilizar y las formas que puede tomar. El más sofisticado del diseño, el más ajustado a las especificaciones y mayores son las interacciones. Es como hacer vino: hacer vino de cocina, casi cualquier proceso de la uva y la fermentación hará; hacer champán, tanto uva y el proceso deben ser fuertemente limitados.

El diseño es un proceso iterativo. El punto de partida es una necesidad del mercado capturado en un conjunto de requisitos de diseño. Conceptos para unos productos que satisfagan la necesidad son ideados. Si las estimaciones iniciales y la exploración de alternativas sugieren que el concepto es viable, el diseño procede a la etapa de realización: trabajar principios son seleccionados, el tamaño y el diseño se deciden, y las estimaciones iniciales del rendimiento y el costo se hacen.

Selección de materiales entra en cada etapa, pero en diferentes niveles de amplitud y de precisión. En la etapa conceptual todos los materiales y procesos son candidatos potenciales, que requiere un procedimiento que permite el acceso rápido a los datos para una amplia gama de cada uno, aunque sin la necesidad de una gran precisión. La selección preliminar pasa a la etapa de realización, los cálculos y optimizaciones de los cuales requerir información a un nivel más alto de precisión y detalle. Eliminan todos Pero un pequeño corto lista de candidatos-materiales y procesos para la final, detallaron etapa del diseño. Para estos pocos, los datos de la más alta calidad son necesarios.Existen datos en todos estos niveles. Cada nivel requiere su propio de gestión de datos esquema, se describe en los siguientes capítulos. La gestión es la habilidad: se debe ser de diseño dirigido, sin embargo, debe reconocer la riqueza de elección y abrazar la compleja interacción entre el material, su forma, el proceso por la que está teniendo en cuenta que la forma y la función que se requiere para llevar a cabo. Y debe permitir una rápida iteración de regreso bucle cuando una cadena particular de razonamiento demuestra ser rentable. No existen herramientas para ayudar con todo esto.

CHAPTER 3ENGINEERING MATERIALS AND THEIR PROPERTIES

“Materiales, se podría decir, son el alimento del diseño”

Es útil para clasificar los materiales de la ingeniería en las seis grandes familias se muestra en la Figura anterior: metales, polímeros, elastómeros, cerámica, vidrios, y híbridos. Los miembros de una familia tienen ciertas características en común: similares propiedades, rutas de procesamiento similares y, a menudo, las aplicaciones similares.Los metales: Tienen relativamente altos módulos. La mayoría, cuando es puro, son blandos y fácilmente deformado. Se pueden hacer fuerte por aleación y por mecánica y calor tratamiento, pero siguen siendo dúctil, lo que les permite ser formados por deformación procesos. Ciertas aleaciones de alta resistencia (acero de resorte, por ejemplo) tienen ductilidades tan sólo un 1 por ciento, pero incluso esto es suficiente para asegurar que el material rendimientos antes de que se fractura y que la fractura, cuando ocurre, es de un duro, dúctil escribe. En parte debido a su ductilidad, los metales son presa de la fatiga y de todas las clases de material, que son los menos resistentes a la corrosión.Cerámicos: también, tienen altos módulos, pero, a diferencia de los metales, son frágiles. Su '' fuerza '' en medio de tensión la fuerza fractura frágil; en compresión es la resistencia a la compresión frágil, que es cerca de 15 veces más grande. Y por eso cerámica no tienen ductilidad, tienen una baja tolerancia a concentraciones de esfuerzos (como agujeros o grietas) o para tensiones de alto contacto (en los puntos de sujeción, para ejemplo). Materiales dúctiles acomodar las concentraciones de tensión por deformación de una manera que redistribuye la carga de manera más uniforme, y debido a esto, pueden ser utilizado bajo cargas estáticas dentro de un pequeño margen de su límite elástico.Los materiales frágiles siempre tienen una amplia dispersión en la fuerza y la fuerza en sí depende del volumen de material bajo carga y el tiempo de para los que se aplica. Así que la cerámica no es tan fáciles de diseñar con los metales.A pesar de esto, tienen características atractivas. Ellos son rígidos, duros y resistentes a la abrasión (de ahí su uso para rodamientos y herramientas de corte); que conservan su resistencia a las altas temperaturas; y se resisten a la corrosión así.Los vidrios: son no cristalinos ('' '') amorfos sólidos. El más común son la sosa-cal y vidrios boro-silicato familiares como botellas y recipientes, pero hay son muchos más. Metales, también, se pueden hacer no cristalino por ellos refrigeración con la suficiente rapidez. La falta de estructura cristalina

suprime la plasticidad, por lo que, al igual cerámicas, vidrios son duros, frágiles y vulnerables a las concentraciones de esfuerzos.Los polímeros: Son en el otro extremo del espectro. Ellos tienen módulos que son bajos, aproximadamente 50 veces menores que los de los metales, pero pueden ser fuertes, casi tan fuerte como metales. Una consecuencia de esto es que las deflexiones elásticas pueden ser grandes.Se arrastran, incluso a temperatura ambiente, lo que significa que un componente de polímero bajo carga puede, con el tiempo, adquirir una deformación permanente. Y sus propiedades dependen de la temperatura de modo que un polímero que es resistente y flexible a 20⁰C puede ser frágil a la 4⁰C de un refrigerador doméstico, sin embargo, deslizarse rápidamente en el100? C de agua hirviendo. Pocos tienen la fuerza útil por encima de 200 ° C. Si estos aspectos se permitió en el diseño, las ventajas de los polímeros pueden ser explotados.Y hay muchos. Cuando combinaciones de propiedades, tales como strength per- unidad de peso, son importantes, los polímeros son tan buenos como los metales. Son fáciles para dar forma: piezas complicadas que realizan varias funciones pueden ser moldeados a partir de un polímero en una sola operación. Las grandes deflexiones elásticas permiten el diseño de componentes de polímero que se acoplan entre sí, haciendo un montaje rápido y barato.Y por dimensionar con precisión el molde y antes de la coloración del polímero, sin acabado Se necesitan operaciones. Los polímeros son resistentes a la corrosión y tienen bajos coeficientes de fricción. Un buen diseño explota estas propiedades.Los elastómeros: Son polímeros de cadena larga por encima de su temperatura de transición vítrea, Tg. Los enlaces covalentes que unen las unidades de la cadena de polímero permanecen intactos, pero los más débiles de Van der Waals e hidrógeno bonos que, por debajo de Tg, se unen las cadenas de entre sí, han derretido. Esto da elastómeros perfiles de propiedades únicas: Young módulo tan bajo como 10-3 GPa (105 tiempo menor que el típico de metales) que el aumento con la temperatura (todos los otros sólidos muestran una disminución), y enorme elástica extensión. Sus propiedades son tan diferentes de las de otros sólidos que especial pruebas han evolucionado para caracterizarlos. Esto crea un problema: si queremos seleccionar materiales por prescribir un perfil atributo deseado.

METALES

CERAMICOS

VIDRIOS

POLIMEROS Y

ELASTOMEROS

Los híbridos: Son combinaciones de dos o más materiales en una predeterminada configuración y escala.

La familia de los híbridos incluye fibra y materiales compuestos de partículas, estructuras sándwich, estructuras de celosía, espumas, cables, y laminados. Y casi todos los materiales de la naturaleza, madera, hueso, piel, hojas son híbridos. Compuestos reforzados con fibras son, por supuesto, el más familiar. La mayoría de aquellos de que dispone el ingeniero tienen un polímero matriz reforzada por fibras de vidrio, carbono o Kevlar (y aramida). Ellos son ligero, rígido y fuerte, y que puede ser difícil. Ellos, y otros híbridos que utilizan un polímero como un componente, no se puede utilizar por encima de 250? C debido a que el polímero ablanda, pero a temperatura ambiente su rendimiento puede ser excepcional.

Componentes híbridos son caros y son relativamente difíciles de formar y unirse. Así que a pesar de sus propiedades atractivas del diseñador utilizará sólo cuando el desempeño agregado justifica el costo adicional. Creciente énfasis de hoy de alto rendimiento y eficiencia de combustible proporciona a los conductores cada vez mayor para su uso.

CHAPTER 3MATERIAL PROPIERTIES

Cada material puede ser considerado como que tiene un conjunto de atributos: sus propiedades. No es un material, per se, que el diseñador busca; es una combinación específica de estos atributos: prohibido perfil. El nombre del material es el identificador de una propiedad particular perfil.

Las propiedades en sí son estándar: densidad, módulo, resistencia, tenacidad, conductividades térmicas y eléctricas, y así sucesivamente.

Propiedades Generales:

La densidad (unidades: kg / m3). Es la masa por unidad de volumen. Lo medimos hoy como Arquímedes hizo: pesando en el aire y en un líquido de densidad conocida. El precio, Cm (unidades: $ / kg), de materiales abarca una amplia gama. Algunos costos como sólo $ 0.2 / kg, los demás tanto como $ 1000 / kg. Los precios, por supuesto, fluctuar, y que dependen de la cantidad que quieras y en su condición de '' preferido cliente '' o de otra manera. A pesar de esta incertidumbre, es útil disponer de una El precio aproximado, útil en las primeras etapas de selección.

Propiedades Mecánicas:

El módulo elástico (unidades: GPa o GN / m2). Se define como la pendiente de la parte elástica lineal de la curva tensión-deformación (Figura 3.2). El módulo de Young, E, describe la respuesta a la tracción o carga de compresión, el módulo de cizallamiento, G, describe la carga de corte y el módulo de volumen, K, la presión hidrostática. V La relación de Poisson, es adimensional: es el negativo de la relación de la lateral cepa, E2, a la deformación axial, E1, en la carga axial:

En realidad, el módulo de medida como las pendientes de las curvas de tensión-deformación es inexactos, a menudo bajos por un factor de 2 o más, a causa de las contribuciones a la cepa de inelasticidad, fluencia y otros factores. Módulos precisos se miden de forma dinámica: excitando las vibraciones naturales de una viga o alambre, o midiendo la velocidad de las ondas de sonido en el material.

La Resistencia σf: de un sólido (unidades: MPa o MN / m2) requiere una cuidadosa definición. Para los metales, identificamos σf, con el 0,2 por ciento de la fuerza de fluencia desplazada σY, es decir, la tensión a la que la curva tensión-deformación para la carga axial se desvía por una cepa de un 0,2 por ciento desde la línea lineal elástico. Es lo mismo en tensión y compresión. Para los polímeros, σf es identificado como el estrés en el cual el estrés deformación vuelve marcadamente no lineal: por lo general, una cepa de un 1 por ciento. Esto puede ser causado por cizallamiento rendimiento: la irreversible deslizamiento de cadenas moleculares; o puede ser causado por agrietamiento: la formación de baja densidad, grietas como volúmenes que dispersan la luz, por lo que el polímero parece blanco.

Cuando el material es difícil de agarre (como es una cerámica), su fuerza se puede medido en flexión. El módulo de ruptura o MoR (unidades: MPa) es la tensión máxima superficie en una viga de flexión en el instante de falla.

El esfuerzo ultimo de tracción: σu (unidades: MPa), Es la tensión nominal a la que una barra redonda del material, cargada en tensión, se separa. Por sólidos cerámicas frágiles, vasos y quebradizas polímeros es el mismo que la resistencia a la rotura en tensión. Para los metales, polímeros dúctiles y la mayoría de los materiales compuestos, que es mayor que la fuerza, σf, por un factor de entre 1,1 y 3 a causa del trabajo endurecimiento o (en el caso de los materiales compuestos) de transferencia de carga para el refuerzo.

La dureza: H, de un material es una medida cruda de su fuerza. Es medido pulsando un diamante en punta o una bola de acero endurecido en la superficie del material. La dureza se define como la fuerza penetradora dividido por el área proyectada del guión.

La tenacidad, G1C, (unidades: kJ / m2), y la tenacidad a la fractura, K1C, (unidades: MPa.m1/2 o MN / m1/2), medir la resistencia de un material a la propagación de una grieta. La tenacidad a la fractura se mide por la carga de una muestra que contiene una grieta introducido deliberadamente de longitud 2c, la grabación del esfuerzo de tracción σc en el que la grieta se propaga. La cantidad K1C se calcula entonces a partir:

El coeficiente de pérdida: η (una cantidad sin dimensiones), mide el grado en cual un material se disipa la energía de vibración. Si un material es cargado elásticamente a un esfuerzo, σmax, almacena una energía elástica.

Propiedades Térmicas.

Dos temperaturas importantes son la temperatura de fusión y la de cristalización, pues están directamente relacionadas con las propiedades del sólido. Estas temperaturas son importantes pues nos permiten obtener otras dos, las máxima y mínima de servicio.

Propiedades eléctricas.

La resistividad eléctrica: ρe (unidades SI Ω .m, Pero comúnmente reportados en unidades de µΩ.cm) es la resistencia de un cubo unidad con la unidad de diferencia de potencial entre una par de que se enfrenta. Tiene una inmensa gama, desde un poco más de 10-8 en unidades de Ω.m (igual a 1 µΩ.cm) para los buenos conductores a más de 1016 Ω.m (1024 µΩ.cm) para los mejores aislantes. La conductividad eléctrica es simplemente la inversa de la resistividad.

Propiedades Ópticas.

Todos los materiales permiten algún pasaje de la luz, a pesar de los metales es sumamente pequeña. La velocidad de la luz cuando en el material, v, es siempre menor que en el vacío, c. Una consecuencia es que un haz de luz que incide sobre la superficie de un material de este tipo en un ángulo α, el ángulo de incidencia, entra en el material en un ángulo β, el ángulo de refracción.

Propiedades Ecológicas.

El contenido o la producción de energía (unidades MJ / kg) es la energía necesaria para extraer 1 kg de un material de sus minerales y materias primas. El CO2 asociado a producción (unidades: kg / kg) es la masa de dióxido de carbono liberado a la atmósfera durante la producción de 1 kg de material.

Propiedades de Resistencia Ambiental.Algunos atributos materiales son difíciles de cuantificar, en particular los que se deben de involucrar a la interacción del material dentro de los entornos en los que se debe operar. Resistencia ambiental se caracteriza convencionalmente en una discretaEscala de 5 puntos: muy buena, buena, regular, mala, muy mala. "Muy buena" "medios" que el material es altamente resistente al medio ambiente, '' muy pobres '', que es completamente no resistente o inestable. La clasificación está diseñada para ayudar a con el cribado inicial; información de apoyo se debe buscar siempre si ataque del medio ambiente es una preocupación. Maneras de hacer esto se describen más adelante. La resistencia al desgaste de la superficie se caracteriza por la constante de desgaste de Archard, KA (unidades: MPa-1), definida por la ecuación:

CAPITULO 4 MATERIAL PROPERTY CHARTS

Las propiedades de los materiales limitan el rendimiento. Necesitamos una forma de medirlos, tener una idea de los valores de las propiedades de diseño limitante puede tener. Una propiedad se mostrará como una lista clasificada o de gráfico de barras. Pero es raro que el rendimiento de un componente depende de una sola propiedad. Casi siempre se trata de una combinación de propiedades que importan. Las tablas resultantes son útiles en muchos aspectos. Ellos se condensan un gran cuerpo de información en una forma compacta pero accesible; revelan correlaciones entre las propiedades del material que ayudan en el control y la estimación de los datos; y en capítulos posteriores se convierten en herramientas para hacer frente a los problemas de diseño reales.Las propiedades de los materiales de ingeniería tienen un período característico de los valores. El lapso puede ser grande: muchas propiedades tienen valores que van más de cinco o más décadas. Los materiales son segregados por clase. Cada clase muestra una característica rango: metales, tiene alta conductividad; polímeros tienen una baja; cerámicas tienen una amplia gama, de menor a mayor.

Modulus Density Chart

Esta tabla guía de selección de materiales blandos, rígidos, y componentes. Los módulos de materiales de ingeniería abarcan una gama de 107; las densidades abarcan una gama de 3000. La contornos muestran la velocidad de la onda longitudinal en m / s; natural frecuencias de vibración son proporcionales a esta cantidad. Las líneas de guía muestran los lugares geométricos de los puntos para los cuales:

(diseño de peso mínimo de vínculos rígidos; deflexión mínima en carga

centrífuga, etc.) (diseño de peso mínimo de vigas rígidas, ejes y columnas)

.

(diseño de peso mínimo de placas rígidas)

El valor de la constante C aumenta a medida que las líneas son desplazada hacia arriba y hacia la izquierda; materiales que ofrecen la mayor proporción de mentiras rigidez-peso hacia la parte superior izquierda esquina. Otros módulos se obtienen aproximadamente a partir de E usando:

(metales, cerámicas, vidrios y polímeros vítreos)

(elastómeros, polímeros de caucho) donde ν es el coeficiente de Poisson, el módulo de cizalla G y K el módulo de volumen.

Strength- Density Chart

Este es el gráfico para el diseño ligero, fuerte estructuras. La "fuerza" para los metales es el desplazamiento de 0,2%límite elástico. Para los polímeros, es la tensión a la que la curva de tensión-deformación se vuelve marcadamente no lineal -típicamente, una cepa de aproximadamente 1%. Para cerámicas y vidrios, que es la compresión resistencia al aplastamiento; recuerde que esto es aproximadamente 15 veces mayor que la resistencia a la tracción (fractura) fuerza.

Para materiales compuestos es la resistencia a la tracción. Para elastómeros se es la resistencia al desgarro. El gráfico guía selección de materiales para la luz, fuertes, componentes. Las líneas de guía mostrar los puntos para los que:

Diseño de peso mínimo de fuerte lazos; velocidad de rotación máxima de discos.

Diseño de peso mínimo de fuerte vigas y ejes.

Diseño de peso mínimo de fuerte Placas.

El valor de la constante C aumenta a medida que las líneas son desplazadas hacia arriba y hacia la izquierda. Materiales que ofrecen la mayor proporción de mentira-resistencia-peso hacia la parte superior izquierda esquina.

Young's modulus, E, against Strength, σf.

El gráfico para el diseño elástico. La "fuerza" para los metales es el límite elástico de desplazamiento 0.2%. Para los polímeros, es el 1% resistencia a la deformación. Para cerámicas y vidrios, es la resistencia a la trituración a la compresión; recuerde que esto es aproximadamente 15 veces mayor que la resistencia a la tracción (fractura) fuerza.

Para materiales compuestos es la resistencia a la tracción. Para elastómeros se es la resistencia al desgarro. El gráfico tiene numerosas aplicaciones entre ellos: la selección de materiales para muelles, elástica bisagras, pivotes y cojinetes elásticos y de pandeo rendimiento antes

diseño. Los contornos muestran la cepa fracaso . Las líneas de guía muestran tres de éstos; ellos son el loci de los puntos para los que:

bisagras elásticas

Muelles, energía elástica almacenamiento por unidad de volumen.

De selección para elástico constantes tales como bordes de cuchilla; diafragmas elásticos, sellos de compresión.

El valor de la constante C aumenta a medida que las líneas son desplazadas hacia abajo y hacia la derecha.

Specific modulus, E/ρ, against Specific strength, σf/ρ

El cuadro de rigidez y resistencia específica. Los contornos muestran la cepa rendimiento, σ f / E. Los diagramas encuentran aplicación en el

diseño de peso mínimo de los lazos y manantiales, y en el diseño de los componentes de rotación para maximizar la velocidad de rotación o de almacenamiento de energía, etc. Las líneas de guía muestran los lugares geométricos de los puntos para los cuales:

Muelles de mínimo peso; velocidad máxima de rotación de los discos.

Diseño de la bisagra elástica.

El valor de la constante C aumenta a medida que las líneas son desplazadas hacia abajo y hacia la derecha.

Fracture toughness, KIC, against Young's modulus, E

El tanto de la resistencia a la fractura tabla muestra, K1c, y (como contornos) la tenacidad, G1C ≈ K2

1C/E. Permite criterios para el estrés y los criterios de falla de desplazamiento limitado (K1C y K1C/E) para ser comparados. Las directrices muestran los loci de puntos para los cuales:

Líneas de resistencia constante, Gc; energía limitada a la falla). Guía para el desplazamiento limitado rotura frágil.

Los valores de las constantes aumentos C como las líneas son desplazada hacia arriba y hacia la izquierda. Materiales duros se encuentra hacia la esquina superior izquierda, materiales frágiles hacia abajo a la derecha.

Fracture toughness, KIC, against Strength, σf

El gráfico de diseño seguro contra la fractura. Los contornos muestran el diámetro proceso zona, dado aproximadamente por:

Los requisitos sobre "fuerza" da para gráficos 2 y 3 se aplican aquí también. Los tabla guía la selección de materiales para satisfacer ruptura rendimiento antes criterios de diseño, en la evaluación de plástico o proceso zona tamaños y en el diseño de muestras para la fractura válida las pruebas de resistencia. Las líneas de guía muestran los lugares geométricos de los puntos para cual:

Cedencia antes de la ruptura. Fuga antes de la ruptura.

El valor de la constante C aumenta a medida que las líneas son desplazadas hacia arriba y hacia la izquierda.

Loss coefficient, η, against Young's modulus, E

El cuadro ofrece una guía en la selección de material para bajo amortiguación (manantiales, cañas de vibración, etc.) y de alta amortiguación (sistemas de mitigación de vibraciones). La línea de guía muestra el loci de puntos para los cuales:

ηE = C (regla de dedo para estimar amortiguamiento en polímeros). El valor de la constante C aumenta a medida que la línea está desplazada hacia arriba y hacia la derecha.

Thermal conductivity, λ, against Electrical conductivity, ρρe

Este es el gráfico para explorar térmica y conductividad eléctrica (κ la conductividad eléctrica es la recíproco de la ρe resistividad). Para los metales que los dos son proporcional (la ley de Wiedemann-Franz):

Porque las contribuciones electrónicos dominan ambos. Pero para otras clases de conducción térmica y eléctrica sólida surgen de diferentes fuentes y la correlación se pierde.

Thermal conductivity, λ, against Thermal diffusivity, a.

Las guías de tabla en la selección de materiales para la térmica aislamiento, para su uso como disipadores de calor y similares, tanto cuando el flujo de calor es constante, (λ) y cuando es transitoria (térmica difusividad un Cp = λ / ρ donde ρ es la densidad y Cp el calor específico). Los valores muestran contornos de la volumétrica calor específico, Cp ρ = λ / a (J / M3K). Las directrices muestran los loci de puntos para los cuales:

Constante volumétrica de calor especifico.

Insuflación eficiente. Almacenamiento de energía térmica.

El valor de la constante C aumenta hacia la parte superior izquierda.

Thermal expansion coefficient, α, against Thermal conductivity, λ.

El gráfico para la evaluación de la distorsión térmica. Los contornos muestran valor de la relación λ / α (W / m). Materiales con un gran valor de este diseño de índice muestra pequeña térmica distorsión. Ellos definen la línea de guía

Minimización de la distorsión térmica.

El valor de la constante C aumenta hacia la parte inferior derecha.

Linear thermal expansion, α, against Young's modulus, E.

Las guías de tabla en la selección de materiales cuando térmica el estrés es importante. Los contornos muestran la tensión térmica generada, por cambio de temperatura ⁰C, en un limitado muestra. Ellos definen la línea de guía:

(αE = C MPa/K) Constante térmica esfuerzo ⁰K.El valor de la constante C aumenta hacia la parte superior derecha.

Strength, σf, against Maximum service temperature T max.

La temperatura afecta el rendimiento del material en muchas formas. A medida que la temperatura se eleva el material puede deslizarse, limitando su capacidad para soportar cargas. Puede degradar o descomponer, cambiando su estructura química en formas que hacerlo inutilizable. Y puede oxidar o interactuar en otra maneras con el medio ambiente en el que se utiliza, dejándolo incapaz de realizar su función. La aproximada temperatura a la cual, para cualquiera de estas razones, es seguro usar un material se llama su servicio de máxima temperatura Tmáx. Aquí se representa frente a la fuerza σ f.El gráfico da una vista de pájaro de los regímenes del estrés y la temperatura en el que cada clase de material, y materiales, es utilizable. Tenga en cuenta que incluso los mejores polímeros tienen poca fuerza por encima de 200 °C;

mayoría de los metales se convierten en muy suave por 800 oC; y sólo la cerámica ofrecen resistencia por encima de 1500 oC.

Coefficient of friction.

Cuando dos superficies se ponen en contacto bajo una Fn carga normal y uno se hace deslizar sobre el otro, una fuerza Fs se opone al movimiento. Esta fuerza es proporcional a Fn, pero no depende de la zona de la superficie y este es el resultado más significativo de estudios de la fricción, ya que implica que las superficies no entran en contacto por completo, pero sólo tocar sobre parches pequeños, el área de que es independiente de la zona aparente, nominal de póngase en contacto con An. El coeficiente de fricción μ se define por:

Valores aproximados de μ para seco - es decir, no lubricado. Deslizamiento de materiales en una cara de acero se muestran aquí.

Típicamente, µ ≈ 0,5. Ciertos materiales muestran mucho mayor valores, ya sea porque se aprovechan cuando frotan entre sí (un metal blando se frotó sobre sí mismo sin lubricación, para ejemplo) o porque una superficie tiene una suficientemente baja módulo que se ajusta a la otra (de goma en bruto hormigón). En el otro extremo se encuentran unas combinaciones correderas con excepcionalmente bajos coeficientes de fricción, tales como PTFE o bronce cojinetes cargados de grafito, se desliza sobre acero pulido. Aquí, el coeficiente de fricción disminuye a medida que baja como 0,04, aunque esto sigue siendo alta en comparación con la fricción de superficies lubricadas, como se indica en la parte inferior del diagrama.

Wear rate constant, ka, against Hardness, H.

Cuando las superficies se deslizan, que llevan. El material se perdió desde ambas superficies, incluso cuando uno es mucho más difícil que la otra. La tasa de desgaste, W, se define convencionalmente como:

Y por lo tanto tiene unidades de m2. Una cantidad más útil, para nuestros propósitos, es la tasa de desgaste específica:

Que es adimensional. Aumenta con presión de apoyo P (la fuerza normal Fn dividido por el área nominal An), tal que la relación:

Es más o menos constante. La cantidad ka (con unidades de (MPa) -1) es una medida de la propensión de un par de deslizamiento para el desgaste: alta ka

significa un rápido desgaste en una relación dada presión. Aquí se representa frente a la dureza, H.Approximate material prices, Cm and ρCm.

Propiedades como módulo, resistencia o conductividad hacer que no cambie con el tiempo. El costo es molesto porque lo hace.Suministro, la escasez, la especulación y la inflación contribuyen a las fluctuaciones considerables en el kilogramo de costo por una mercancía como cobre o plata. Los datos de coste por kg son tabulados para algunos materiales en los papeles y comercio diarias revistas; las de otros son más difíciles de conseguir.Valores aproximados para el costo de los materiales por kg, y su costo por m3, se representan en estas dos tablas. La mayoría materiales de las materias primas (vidrio, acero, aluminio, y el común polímeros) cuestan entre 0,5 y 2 $ / kg. Porque tienen densidades bajas, el costo / m3 de los productos básicos polímeros es menor que la de los metales.

Young's modulus, E, against Relative cost, CRρ.

En el diseño de costo mínimo, selección de materiales es guiada por los índices que implican módulo, resistencia y coste por unidad de volumen. Para hacer un poco de corrección para la influencia de la inflación y las unidades de la moneda en la que costo se mide, se define un coste relativo por unidad de volumen:

Al momento de escribir, varilla de refuerzo de acero cuesta alrededor US $ 0.3 / kg. El gráfico muestra el módulo E representa frente costo relativo por unidad de volumen Cv, R ρ donde ρ es la densidad. Materiales rígidos baratos se encuentran en la parte superior izquierda. Líneas de guía para la selección de materiales que son rígidas y barato se representa en la figura. Las líneas de guía muestran los lugares geométricos de los puntos para los cuales:

Mínimo costo de diseño (tirantes, endurecimiento).

Mínimo costo de diseño de vigas y columnas.

Mínimo costo de diseño de placas.

El valor de la constante C aumenta a medida que las líneas son mostradas hacia arriba y hacia la izquierda. Materiales que ofrecen la mayor rigidez por unidad de costo mentira hacia la parte superior izquierda esquina.

Strength, σf, against Relative cost, CRρ.

Materiales fuertes baratos son seleccionados usando esta tabla.Se muestra la resistencia, que se define como antes, representa frente costo relativo por unidad de volumen. Las cualificaciones relativas a la definición de la fuerza, dados anteriormente, se aplican aquí también.Hay que destacar que los datos trazan aquí y en la tabla 16 son menos fiables que los de otros apartados, y están sujetas a cambio impredecible. A pesar de esta grave advertencia, los dos gráficos son realmente útiles. Ellos permiten

selección de materiales, utilizando el criterio de la "función por costo unitario”.

Approximate energy content per unit mass and per unit volume

La energía asociada con la producción de un kilogramo de un material es H p, que por unidad de volumen es pρ H donde ρ es la densidad del material. Estas dos barras gráficas mostrar estas cantidades de cerámica, metales, polímeros y compuestos. En un "por kg" base (gráfico superior) de vidrio, el material de la primera contenedor, conlleva la pena más bajo.El acero es más alto. Producción de polímeros lleva una mucha mayor carga que hace de acero. El aluminio y la otra luz aleaciones llevan la mayor pena de todos. Pero si estos mismos materiales se comparan en una base "por m3" (inferior gráfico) las conclusiones cambian: el vidrio sigue siendo el más bajo, pero ahora polímeros de las materias primas como PE y PP tienen una menor carga que el acero; el GFRP compuesto es sólo un poco más alto.Young's modulus, E, against Energy content, Hpρ.

El gráfico guía la selección de materiales para la rigidez, componentes-económico de energía. El contenido de energía por m3, H pρ es el contenido de energía por kg, H p, multiplica por el ρ densidad.

Strength, σf, against Energy content, Hpρ.

El gráfico guía la selección de materiales para los fuertes, componentes-económico de energía. La "fuerza" para los metales es el límite elástico de desplazamiento 0.2%. Para los polímeros, es el el estrés en el que la curva de tensión-deformación se vuelve marcadamente no lineal - típicamente, una cepa de aproximadamente 1%. Para la cerámica y gafas, es la resistencia a la compresión a la compresión; recuerde que esto es aproximadamente 15 veces más grande que el a la tracción (fractura) fuerza. Para materiales compuestos es la resistencia a la tracción fuerza. Para elastómeros es la resistencia al desgarro. La energía contenido por m3, Hpρ es el contenido de energía por kg, H p, multiplicado por la densidad ρ.