ing mecanica

1. 1
DIAGRAMA DE ASHBY
RESÚMEN
Debido a la variedad de materiales disponibles para ingeniería, en el diseño
de estructuras y máquinas, ¿cómo el ingeniero debe escoger el material
apropiado?, los errores pueden causar desastres. Para la selección y
ejecución de obras diseñadas en cualquier campo, encontramos materiales
ferrosos, no ferrosos, polímeros, cerámicos, vidrios y otros; por lo tanto
debemos usar metodologías específicas para hacer la selección de forma
sistemática donde se tiene en cuenta la aplicación, que el material cumpla
con dichas funciones, requerimientos científico-tecnológicos, socio-
ecológicos y económicos, y de todos aquellos materiales que las cumplen
cual es el más óptimo; hoy día para resaltar cada parámetro importante de
esos materiales se hace a través de software sofisticados y precisos.
OBJETIVOS
GENERAL:
Recopilar información que nos enfoque a la metodología de selección de
materiales.
ESPECIFICOS:
Comprender e identificar el diagrama de Ashby mediante sus propiedades
mecánicas.
Analizar la selección de materiales mediante el diagrama ASHBY.

2. 2
MARCO TEORICO
En este trabajo se pretende resaltar la importancia de realizar una correcta selección de
materiales para algún fin específico. Para ello, se ilustran algunos métodos utilizados en
la selección de materiales, desde convencionales, gráficos. En especial, se hará énfasis
en el método gráfico, propuesto por el investigador Ashby.
Factores de elección de un material
A la hora de seleccionar el material más adecuado para una determinada
aplicación, debemos tener en cuenta diversos factores, como son el trabajo
que va a desarrollar la pieza, la atmósfera en la que se va a encontrar, el
proceso de conformado mediante el cual se le dará la forma definitiva, la
disponibilidad de ese material, su costo (No debe suponer más de la mitad
del precio final del producto para que su venta pueda resultar competitiva.
Incluye extracción, transporte, transformación en producto de primera fase
y transporte al lugar de la segunda transformación). Por lo tanto, un
profundo conocimiento de las propi edades de los distintos grupos de
materiales y de las formas en que se pueden mejorar, (elementos químicos
de aleación, tratamientos térmicos,...) es la clave para estar en condiciones
de determinar cuál es el más adecuado. Así, antes de fabricar un
determinado objeto, es necesario establecer las características deseables
que deben poseer los materiales de los que estará hecho, y, en una segunda
fase, escoger el material óptimo entre aquellos que cumplan las
características deseadas.
Propiedades de los materiales

3. 3
Se definen como un conjunto de características diferentes para cada cuerpo o
grupo de cuerpos, que ponen de manifiesto cualidades intrínsecas de los
mismos o su forma de responder a determinados agentes exteriores:
Propiedades mecánicas (resistencia, tenacidad, dureza, rigidez,...),
resistencia a la corrosión, conductividad térmica y eléctrica, facilidad de
conformado, peso específico y apariencia externa (propiedades sensoriales),
factores ecológicos: mínima necesidad de materia prima y posibilidad de
reciclaje y reutilización, precio de la materia prima; Estas características
vienen determinadas por la estructura interna del material (componentes
químicos presentes y forma de unión de los átomos) Las propiedades de un
material determinado se pueden clasificar en cinco grandes grupos:
Propiedades químicas: Se refiere a los procesos que modifican
químicamente un material.
Propiedades físicas: Se refiere a las características de los materiales debido
al ordenamiento atómico o molecular del mismo.
Propiedades térmicas: Se refiere al comportamiento del material frente al
calor.
Propiedades magnéticas: Se refiere a la capacidad de algunos materiales al
ser sometidos a campos magnéticos.
Propiedades mecánicas: Están relacionadas con la forma en que
reaccionan los materiales al actuar fuerzas sobre ellos.
PROPIEDADES QUIMICAS

4. 4
Estabilidad química: Indica la capacidad de un determinado elemento o
compuesto químico de reaccionar espontáneamente al entrar en contacto
con otro elemento o a descomponerse o si, por el contrario, para que
reaccione es necesaria una acción exterior (calor, trabajo o elementos
químicos activadores)
Oxidación: Cuando un material se combina con oxígeno, se dice que
experimenta una reacción de oxidación. Tal reacción, de forma esquemática
sería. Material + oxígeno óxido del material ± energía Aunque la oxidación
limita la vida del material en ocasiones la formación de una capa de óxido en
el mismo, depositada en la parte exterior del material, lo protege de una
posterior degradación. La mayor temperatura acelera el proceso de
oxidació n del material. Materiales susceptibles de ser oxidados: hierro,
aceros bajos en carbono, cobre, titanio. Materiales resistentes a la
oxidación: oro, plata, aluminio, estaño, cromo.
Corrosión: Cuando la oxidación se produce en un ambiente húmedo o en
presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión.
PROPIEDADES FISICAS
Densidad: Es la relación existente entre la masa de una determinada
cantidad de material y el volumen que ocupa. Su unidad en el sistema
internacional es el kg/m
Peso específico: Es la relación existente entre el peso de una determinada
cantidad de material y el volumen que ocupa. Su unidad en el SI es el N/m
Resistencia eléctrica : Todas las sustancias ofrecen un mayor o menor grado
de oposición al paso de la corriente eléctrica. Tal oposición es la resistencia
eléctrica, que define si un material es un conductor, semiconductor o
aislante eléctrico. La resistencia eléctrica se mide en ohmios ( Ω). Una
magnitud asociada a la resistencia eléctrica es la resistividad (ρ), que se
define como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un material de
un metro de longitud y de un m2 de sección. Se mide en Ω ·m. La inversa de
la resistividad es la conductividad (σ)
Propiedades ópticas: Se refiere al comportamiento de los cuerpos cuando la
luz incide sobre ellos, así tenemos: Cuerpos opacos absorben o reflejan
totalmente la luz, impidiendo que pase a su través. -Cuerpos transparentes
transmiten la luz, por lo que permiten ver a través de ellos. - Cuerpos
translúcidos dejan pasar la luz, pero impiden ver los objetos a su través.

5. 5
PROPIEDADES TÉRMICAS
Dilatación térmica o dilatabilidad: La mayoría de los materiales aumentan de
tamaño (se dilatan) al aumentar la temperatura. La magnitud que define el
grado de dilatación de un cuerpo es el coeficiente de dilatación que nos da
una idea del cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando
cambia la temperatura del material. Podemos expresarla de tres formas
distintas según interese por la forma geométrica de la pieza:
-Coeficiente de dilatación lineal,
α -Coeficiente de dilatación superficial,
β - Coeficiente de dilatación cúbica,
Calor específico (Ce) : Se define como la cantidad de calor que necesita una
unidad de masa para elevar su temperatura un grado (centígrado o Kelvin).
En el sistema internacional se mide en J/kg·K (K = grados Kelvin, 0 o C
= 273,15 K), aunque es más frecuente medirlo en cal/g·K. (calor
específico del agua aproximadamente 1 cal/(g ·K))
Temperatura de fusión: Al elevar la temperatura de un sólido, puede
producirse un cambio de estado, pasando de sólido a líquido. La
temperatura a la que se sucede tal fenómeno es la temperatura de fusión,
que a presión normal se llama punto de fusión. Durante el proceso de
fusión la temperatura del cuerpo no varía hasta que se ha aportado el calor
necesario para el cambio de estado, momento en el cual vuelve a elevarse la
temperatura del cuerpo.
Conductividad térmica (K): Es un parámetro que indica el comportamiento
de cada cuerpo frente a la transmisión del calor, es decir, es la intensidad
con que se transmite el calor en el seno de un material.
Calor latente de fusión: Es el calor necesario para transformar una unidadde
masa del material del estado sólido al líquido
PROPIEDADES MAGNÉTICAS.

6. 6
Representan los cambios físicos que se producen en un cuerpo al estar
sometido a un campo magnético exterior.
1. Materiales diamagnéticos: Las líneas de campo magnético creadas al estar
el
material en presencia de un campo inductor son de sentido contrario a éste,
lo que significa que este tipo de materiales se oponen al campo magnético
aplicado, son repelidos por los imanes. No presentan efectos magnéticos
observables. Hidrógeno, cloruro de sodio, oro, plata, cobre,...
2. Materiales paramagnéticos: Son aquellos en los que las líneas del campo
magnético
creadas al estar el material en presencia de un campo inductor son del
mismo sentido que éste, aunque no se consigue una alineación total. Esto es,
son materiales que cuando están sujetos a un campo magnético, sufren el
mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, pero al retirar
el campo magnético, se destruye el alineamiento magnético. Aluminio,
platino, magnesio, titanio...
3. Materiales ferromagnéticos: Son aquellos materiales que, cuando se
encuentran a una temperatura inferior a un valor determinado
(temperatura de Curie; p.e.: Fe 1043K), adquieren un campo magnético
intenso al estar en presencia de un campo exterior inductor, quedando el
material “imanado”. Esto se debe principalmente a la estructura cristalina
que está fuertemente ordenada y crea zonas de dominio magnético, de
forma que el campo total será la suma del campo natural que posee el
material más el campo exterior. Hierro, níquel y cobalto.
PROPIEDADES MECÁNICAS

7. 7
1. Elasticidad
2. Plasticidad
3. Resistencia a la fluencia: Indica la fuerza para la que un material se
deforma sin recuperar su forma primitiva al cesar el esfuerzo
4. Resistencia a la tracción o resistencia última: Indica la fuerza para la que
un material se rompe
5. Resistencia a la torsión: Fuerza torsora que indica la rotura de un material
6. Resistencia a la fatiga
7. Dureza
8. Fragilidad
9. Tenacidad
10. Resiliencia o resistencia al choque
11. Ductilidad
12. Maleabilidad
13. Maquinabilidad
14. Moldeabilidad: Facilidad de un material para ser conformado por
fundición o moldeo

8. 8

9. 9
ALCANCE
MATERIALES USOS DESCRIPCIÓN
Ferrosos Aceros
Hierro
fundido
Fundiciones
Los aceros son aleaciones de Fe-
c, en el que el carbono no supera
el 2%.
El hierro es un material
ferromagnético, maleable y
blando.
Las Fundiciones son frágiles y
duras de acurdo a su proceso de
fabricación.
No ferrosos Aluminio
Cobre:
Latón
Bronce
Magnesio
Titanio
Estaño
Níquel
Plomo
El aluminio se obtiene a partir
del mineral de bauxita,
inoxidable muy maleable y dúctil
se utiliza mucho para aviación
El cobre se encuentra en la
naturaleza formando minerales
sulfurados y oxidados,
conductividad eléctrica y
térmica alta.
No metálicos Orgánicos :
Polímeros
Inorgánicos :
Cerámicos,
vidrios y
otros
Los polímeros son sustancias
químicas sintéticas se moldea
por calor o presión y su principal
componente es el carbono.
TABLA N°1: Análisis del alcance.
PROCEDIMIENTO
Método tradicional.
Con este método, el ingeniero de materiales escoge el material que cree más
adecuado, con base en la experiencia de partes que tiene un funcionamiento
similar y que han mostrado buenos resultados. Este método es también
conocido como materiales de ingeniería de partes similares. El método

10. 10
mantiene buena aceptación debido a lo siguiente: El ingeniero se siente
seguro con un material usado y ensayado. Generalmente en un gran
porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin tratamiento térmico,
evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos. Sin embargo, el uso de este
método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un
estudio real del ambiente de trabajo del componente o equipo, el cual puede
ser decisivo a la hora de escoger el material.
Método gráfico.

11. 11
Este método se apoya en graficas (conocidas como mapas de materiales), en
las que se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. El
método fue diseñado exclusivamente para ser utilizado durante la etapa
conceptual de la selección de materiales. En estos mapas se puede hacer una
aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada
familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más
importantes que debe poseer el componente. Como ejemplo de un par de
propiedades que relacionan en estos mapas están el módulo de elasticidad
en función de la densidad.
Como es de esperarse, rara vez el comportamiento de un componente
depende sólo de una propiedad. De igual manera, diagramas como los de
Ashby, muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales
pueden variar en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos),
formando grupos que se ubican en áreas cerradas, zonas o campos en tales
diagramas. Eso significa, que una misma familia de materiales puede tener
una apreciable variación en sus propiedades, generando un campo o zona en
los mapas. En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades como
resistencia, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad
térmica, difusividad y expansión y costos. La escala logarítmica, también
permite representar por ejemplo, la velocidad longitudinal de una onda
elástica a través del material = (E/)1/2 (o lo que es lo mismo Log E = Log - 2
Log), dibujada como líneas ocultas paralelas. Todos los campos de
materiales que una línea de estas atraviese, significa que una onda se
propagará por ellos con la misma velocidad. La selección de materiales con
ayuda de estos mapas se hace entonces, encontrando con ayuda de cálculos
de resistencia y aplicando criterios de falla de acuerdo a los esfuerzos
aplicados, cuales son las combinaciones de propiedades más importantes
para un componente dado.

12. 12
Ubicado el diagrama que presenta esta combinación, se entra en un campo
que corresponde a una familia determinada de materiales. De los materiales
que pertenecen a esta familia, se puede hacer una preselección, y
posteriormente una selección, teniendo en cuenta otros criterios como
costos, disponibilidad, durabilidad, efecto ambienta, etc.
Método con ayuda de bases de datos.
En la Internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales ,
que han sido construidas paracomercialización libre o son distribuidas por
vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de
investigaciones en ensayos de materiales. Las bases de datos se dividen
básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias
bibliográficas. Dentro de las más importantes bases de datos están el banco
de datos de la ASTM, la SAE, la ASM, la AISI, la NASA, etc. Una base de datos
pública que ha adquirido gran importancia por la cantidad de datos y
variedad de materiales que maneja, puede ser consultada en la página web.
www.matweb.com. La selección de materiales con ayuda de estas bases de
datos, parte del conocimiento de las principales propiedades que se deben
tener para un fin específico. El programa pide entonces el valor aproximado
de las propiedades que debe tener el componente y lista uno o varios
materiales que pueden servir. Son varias las fuentes donde se compilan
bases de datos. En forma escrita, estas bases pueden ser encontradas en
textos como los referenciados en la bibliografía de este artículo en los textos
de referencia.

13. 13
EJEMPLO.
APLICACIÓN DE MÉTODOS EN LA
SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA LA
FABRICACIÓN DE RESORTES DE
HOJA.
Con ayuda de los métodos descritos anteriormente, se hará la selección del o
los materiales que mejor cumplen las exigencias de uso en un resorte de
hoja.
Método tradicional.
Como ya se había mencionado, este método se basa en la selección del o los
materiales que se utilizan en aplicaciones similares. Según la teoría de este
método, los resortes pueden ser fabricados en cualquier acero que tenga por
lo menos 0.55% de carbono y que tratados térmicamente alcancen entre 40
a 45 Rockwell C
(HRC) de dureza. En la industria internacional, se ha encontrado buenos
resultados al usar aceros aleados con un porcentaje de carbono nominal de
0.6%C, entre los que se encuentran el AISI 4161H (H de altamente
templable). AISI 5160H, 50B60H (B de acero al boro), entre otros. En la
industria Colombiana, los aceros quehan sido adoptados para la
construcción de este tipo deelementos son el AISI 1060 y AISI 1070. Estos
aceros alcanzan valores de propiedades de resistencia a la tensión entre
1310 a 1690 MPa, límite de fluencia de
1172 a 1550 MPa, reducción de área de 25% mínimo y elongación en 2
pulgadas de 7% mínimo.
Método gráfico usando mapas de ASHBY.

14. 14
Este método usa un índice de desempeño que generalmente hace parte de
una función objetivo, la cual maximiza o minimiza un atributo del material.
Para resortes los índices de desempeño más comunes son mínimo volumen
M1 y mínimo peso M2.

15. 15
Donde E es lemodulo de Young, ρ la densidad del material y σf el esfuerzo de
flexión.
En el caso de un resorte, se explica a continuación a manera de ejemplo, la
forma como se obtiene el índice de desempeño M2. El primer paso consiste
en identificar el atributo a ser maximizado o minimizado, en este caso, se
maximizara la cantidad de energía por unidad de masa.
En un segundo paso se desarrolla una ecuación para esteatributo y se
relaciona con aspectos de la geometría del componente y de las propiedades
del material, y esta ecuación se convierte en la función objetivo p. Entonces
se tiene:
Donde δ es el desplazamiento del resorte en el sentido de la fuerza. La fuerza
ejercida en el centro del resorte produce un esfuerzo de flexión σf que se
puede expresar en función del área A y el factor de seguridad Sf como:
La variable F depende de otras variables por la expresión:
Donde l es la longitud del resorte, E el módulo de Young, I el momento de
inercia de la sección y C1 una constante que vale 192 para este caso
Reemplazando 5 en 4 y resolviendo para δ se tiene:
Las ecuaciones 4,5, 6 representan los pasos tres, cuatro y cinco, que tienen
que ver con la identificación de otras variables que intervienen, dar un
orden de importancia y desarrollar finalmente una ecuación que pueda ser
substituida en la función objetivo, respectivamente, en este caso el valor de
δ.
El paso seis consiste en reemplazar δ en la función objetivo, dando como
resultado:

16. 16
El paso siete consiste en agrupar la función objetivo en tres grupos a saber:
requerimientos funcionales F, geometría G y propiedades del material M. La
función objetivo entonces es ahora:
El paso ocho asigna el índice de desempeño como una cantidad M a ser
maximizada y en este caso maximizar la función f3, maximiza la función
objetivo p que es la cantidad de energía por unidad de masa. El índice es:
Observe que el índice es una combinación de propiedades del material y en
la medida que es más grande se tiene un resorte más liviano con gran
capacidad de almacenamiento de energía. Para obtener M1 se puede realizar
un procedimiento similar, al igual si quisiera obtener un atributo por
ejemplo relacionado con bajo costo del material.
Para resortes existen dos mapas muy usados que grafican el Módulo de
Young (E), vs. Esfuerzo σf para resortes pequeños, y el Módulo especifico
(E/ρ), vs resistencia específica (σf /ρ) para resortes livianos.

17. 17
Materiales para pequeños resortes.
Materiales para resortes livianos.

18. 18
Para resortes de hoja usados en vehículos de transporte, el atributo a
minimizar es el peso, por lo tanto se debe maximizar el índice de desempeño
M2.
Al observar la figura 4, se observa una franja sombreada con pendiente M2 =
2 KJ/Kg. Esta franja, recomendada para la selección de materiales usados en
resortes resistentes y livianos, contiene una amplia gama de materiales
incluido el acero. En esa franja por tanto, se observan los posibles materiales
(entre materiales metálicos y compuestos), que cumplen con las exigencias
requeridas. De estos últimos se tienen el CFRP (Fibra de polímero reforzada
con carbono) y GFRP (polímero reforzado con fibra de vidrio), que son
materiales compuestos que se comportan mejor que el acero, aunque de
mayor costo. Actualmente empresas como Mercedes
Benz en Alemania y otras industrias fabricantes de vehículos pesados, están
incorporando este tipo de materiales a los resortes de camión.
En la medida que el valor de M es menor a 2 MJ/Kg, la pendiente se desplaza
a la izquierda del gráfico, región que no es recomendada para buscar el
material adecuado.
Por otra parte, si nos desplazamos hacia la derecha, se logran mayores
valores de M2, pero es posible que no exista el material adecuado. En esta
gráfica los materiales metálicos están en desventaja por las densidades tan
altas.
La ventaja estratégica del uso de los mapas de Ashby, es que permite
fácilmente reemplazar un material por otro que cumple igual función. El
inconveniente aquí, para el caso de los resortes, es que los materiales
alternativos no metálicos son compuestos, que generalmente presentan
mayor costo en el mercado.
Como se mencionó en la primera parte de este numeral (que habla del
método tradicional para seleccionar materiales), los materiales metálicos
para resortes que cumplen estas especificaciones son: Aceros AISI 1070 de
alto contenido de carbono templados y revenidos en aceite a temperaturas
entre 200 y 230 ºC, con resistencias últimas a la tensión entre 1300 y 1800
MPa. [8,9].
Método usando bases de datos.

19. 19
Tomando como referencia los valores de propiedades dados en el método
tradicional y los calculados en el método gráfico, usando la base de datos de
www.matweb.com, opción properties, se encontró que los aceros
recomendados para esta aplicación son los aceros AISI 1074 Steel,
coldrolledstripy el AISI 9260 Steel. Aceros que están en intervalo de
contenido de carbono propuesto en el método tradicional.
RESULTADOS.
Comparando los materiales (aceros), seleccionados por los tres métodos
expuestos, lo primero que se encuentra,cercanos en cuanto a su
comportamiento a la resistencia última. Otro punto interesante es que para
lograr estas características, se deben tratar térmicamente, a bajas
temperaturas, no más allá de 230 ºC, en los casos de haber templado el
material, o si lo que se desea es hacer un alivio de tensiones. La tabla
muestra un resumen de los materiales obtenidos por los tres métodos
expuestos. Cabe mencionar que los materiales aquí mostrados corresponden
a materiales metálicos y específicamente aceros.