La evolución de la historia de la humanidad ha estado unida a la habilidad para seleccionar los materiales que ofrece la naturaleza y a utilizarlos para resolver las diferentes necesidades que han ido surgiendo con el paso de los siglos

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Como es de esperar, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una propiedad. De igual manera, los mapas de materiales, también denominados diagramas de Ashby, muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales pueden variar en amplios intervalos, 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, la resistencia mecánica, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, costes, etc.

El proceso consta de tres etapas:

- Definición de requerimientos para la aplicación considerada.

- Cálculo del índice o índices de material para la aplicación.

- Selección del material usando el índice de material y los mapas de selección de materiales.

Mapas de materiales

[pic 3]

Si se escogen los ejes y las escalas de la figura de manera adecuada, se puede utilizar el diagrama para obtener información adicional.

Ejemplo:

La rigidez específica (R) de un material se define como el cociente entre el módulo de Young (E) y su densidad (p):

➔ [pic 4][pic 5]

Tomando logaritmos:

[pic 6]

Fijando un valor para la rigidez específica R=R1 o R=R2, esta ecuación representa en el mapa una línea recta de pendiente 1 y ordenada al origen log R1 o logR2.

Expansión Térmica vs Conductividad Térmica

[pic 7]

1. Los polímeros presentan expansión térmica casi 10 veces más que los metales.

2. Los materiales compuestos fabricados a partir de polímeros tienen bajo valor de expansión térmica debido al bajo valor que aportan los refuerzos.

- Un aumento en la conductividad térmica está acompañado con una reducción en el coeficiente de expansión.

- Los materiales de mayor conductividad térmica son los metales.

- Los mejores aislantes térmicos son los materiales porosos.

Ejemplo

A continuación se mostrará un ejemplo de los requerimientos para el diseño de una barra simple rígida tomado el libro “Materials Selection in Mechanical Desing”.

[pic 8]

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*La rigidez es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos.

La rigidez (R1) de una barra de sección cuadrada cargada en flexión es:

[pic 9]

(R1) y l son fijadas

A= parámetro libre

E= módulo de Young

C1= constante (depende de la distribución de la carga a lo largo de la barra)

Una de las ligaduras impone que F/S sea mayor que la rigidez de las barra, entonces:

[pic 10]

También, m=pAl, donde p es la densidad.

Despejando el parámetro libre A y sustituyendo en la ecuación previa.

[pic 11]

[pic 12]

(Tabla de requerimientos “Materials Selection in Mechanical Desing”)

Los mejores materiales para una barra rígida y ligera son aquellos con un valor máximo del cociente (E1/2/p), que será el índice del material (M) para esta aplicación:

[pic 13]

De esta forma se minimiza la masa del sistema, asegurado a su vez una rigidez mayor que la que especifica el diseño.

1.1.3 Método con ayuda de la base de datos

Usado más en las últimas dos décadas, en internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales, que han sido construidas para comercialización 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 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 gran 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 en cuenta 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.

También se dispone de software específico en el mercado para la selección de materiales. CES EduPack es uno de los más conocidos y empleados en el mundo del diseño e ingeniería. La selección de materiales con ayuda de estas bases de datos parte del conocimiento de las principales propiedades que el material debe tener para un fin específico. Más de 800 de las universidades de todo el mundo utilizan este programa, aunque no sólo las universidades utilizan este software. Gran cantidad de empresas y entidades mundialmente conocidas también se han hecho con sus servicios, algunas de ellas tan importantes como: Ferrari, Renault F1, Intel, NASA, etc. Por lo tanto, no cabe duda de que esta es una herramienta con un gran potencial. En su base de datos podemos encontrar hasta más de 3000 materiales diferentes, más de 200 procesos, todo tipo de datos técnicos, “notas científicas”