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CAPÍTULO 3 CARGA ESTÁTICA SIMPLE
3.1 I TRODUCCIÓ
Este capítulo presenta conceptos básicos sobre el diseño mecánico. Las secciones 3.2 y 3.3 constituyen una introducción al diseño de elementos sometidos a esfuerzos estáticos simples. En la sección 3.2 se estudian algunas propiedades de los materiales, particularmente las propiedades de resistencia mecánica, fragilidad y ductilidad, las cualesson importantes en el diseño mecánico. La sección 3.3 presenta la ecuación de diseño para cargas estáticas simples, estudia los conceptos de esfuerzo de diseño (o esfuerzo admisible) y factor de seguridad y la determinación de los puntos críticos de un elemento. El resto del capítulo es un complemento para el diseño con esfuerzos estáticos simples. En la sección 3.4 se repasa la ecuación para elcálculo del par de torsión de elementos que transmiten potencia. La sección 3.5 analiza el caso de carga axial excéntrica. Los concentradores de esfuerzos y su incidencia en el diseño estático se estudian en la sección 3.6. Finalmente, la sección 3.7 presenta una corta descripción de algunos materiales de ingeniería, particularmente el acero.

3.2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
3.2.1 IntroducciónEn el diseño de cualquier elemento de máquina es necesario conocer las diferentes propiedades de los materiales, con el fin de hacer una adecuada selección de éstos. Algunas de las propiedades más importantes son las resistencias a la tracción, a la compresión y a la torsión, dureza, resistencias de fluencia, tenacidad, ductilidad y fragilidad. En esta sección se estudia brevemente un conjunto depropiedades relevantes en el diseño.

3.2.2

Curva esfuerzo-deformación

Algunas de las propiedades principales de un material se obtienen con el ensayo de tracción. Para explicar este ensayo y algunos de sus resultados, se estudiará el comportamiento de un acero suave (dulce o de bajo contenido de carbono). En el ensayo de tracción se somete una probeta del material a analizar normalizaday pulida a una carga axial de tracción (figura 3.1). La carga de tracción aplicada comienza desde cero hasta un valor máximo poco antes del rompimiento de la probeta. Al aumentar la carga la probeta se deforma; entonces, se mide tanto la fuerza como la deformación en diferentes instantes de la prueba, y se construye una curva esfuerzo-deformación como la de la figura 3.2, que muestra la curvatípica de un acero suave.

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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE DISEÑO DE MÁQUINAS
A F L F

Figura 3.1 Probeta para el ensayo de tracción

S Diagrama real Su SR Sy Se Sp Diagrama de ingeniería

Endurecimiento por deformación Movimiento de cristales

Estricción

Falla por rotura

Zona elástica

Zona plástica

ε

Figura 3.2 Diagrama esfuerzo-deformación típico de un acero de bajo contenidode carbono

La curva se puede dividir en dos zonas:

Zona elástica
Al comienzo de la prueba, la deformación unitaria, ε, aumenta proporcionalmente con el esfuerzo, S, hasta llegar al límite de proporcionalidad Sp, indicado en la figura 3.2. La ecuación que define esta proporcionalidad se denomina ‘Ley de Hooke’:

S = Eε .

(3.1)

La constante de proporcionalidad se conoce como módulo deYoung o módulo de elasticidad, E. Nótese que E es la pendiente de la recta en el diagrama S - ε y es una medida de la rigidez del material; un mayor E implica mayor rigidez. Por ejemplo, dentro de la zona de proporcionalidad el acero es casi tres veces más rígido que las aleaciones de aluminio (Eacero = 207 GPa y Ealeac.aluminio = 72 GPa - tabla A-3.1, apéndice 3). A partir del límite deproporcionalidad, la deformación no varía linealmente con el esfuerzo; ambos siguen aumentando hasta que se alcanza el límite elástico, Se, que es el máximo esfuerzo que se le puede aplicar a la probeta sin que ocurran deformaciones permanentes. Si la fuerza se suprime en este límite o

CAPÍTULO 3

CARGA ESTÁTICA SIMPLE

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en un punto anterior, la probeta recuperará su tamaño inicial; es...