Sobre el bronce
Los bronces son una familia de aleaciones basadas en cobre tradicionalmente aleadas con estaño, pero pueden referirse a aleaciones de cobre y otros elementos (por ejemplo, aluminio, silicio y níquel). Los bronces son algo más fuertes que los latones, pero aún tienen un alto grado de resistencia a la corrosión. Generalmente se utilizan cuando, además de la resistencia a la corrosión, se requieren buenas propiedades de tracción. Por ejemplo, el cobre berilio alcanza la mayor resistencia (hasta 1400 MPa) de cualquier aleación a base de cobre.
Históricamente, la aleación de cobre con otro metal, por ejemplo estaño para hacer bronce, se practicó por primera vez unos 4000 años después del descubrimiento de la fundición del cobre y unos 2000 años después de que el «bronce natural» se generalizara. Se define que una civilización antigua se encuentra en la Edad del Bronce ya sea produciendo bronce fundiendo su propio cobre y aleándolo con estaño, arsénico u otros metales. El bronce, o aleaciones y mezclas similares al bronce, se utilizaron para las monedas durante un período más largo. Los bronces todavía se usan ampliamente en la actualidad para resortes, cojinetes, bujes, cojinetes piloto de transmisión de automóviles y accesorios similares, y es particularmente común en los cojinetes de pequeños motores eléctricos. El latón y el bronce son materiales de ingeniería comunes en la arquitectura moderna y se utilizan principalmente para techos y revestimientos de fachadas debido a su apariencia visual.
Resumen
| Nombre | Bronce |
| Fase en STP | sólido |
| Densidad | 8770 kg / m3 |
| Resistencia a la tracción | 310 MPa |
| Límite de elastacidad | 150 MPa |
| Módulo de Young | 103 GPa |
| Dureza Brinell | 75 BHN |
| Punto de fusion | 1000 ° C |
| Conductividad térmica | 75 W / mK |
| Capacidad calorífica | 435 J / g K |
| Precio | 4 $ / kg |
Densidad del bronce
Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen: ρ = m / V
En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es kilogramos por metro cúbico ( kg / m 3 ). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico ( lbm / ft 3 ).
La densidad del bronce es 8770 kg / m 3 .
Ejemplo: densidad
Calcula la altura de un cubo hecho de bronce, que pesa una tonelada métrica.
Solución:
La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:
ρ = m / V
Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a 3 ), la altura de este cubo se puede calcular:
La altura de este cubo es entonces a = 0,485 m .
Densidad de materiales
Propiedades mecánicas de los bronces
Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.
Resistencia de los bronces
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
La máxima resistencia a la tracción del bronce de aluminio: UNS C95400 es de aproximadamente 550 MPa.
La máxima resistencia a la tracción del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 310 MPa.
La resistencia máxima a la tracción del berilio de cobre – UNS C17200 es de aproximadamente 1380 MPa.
La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Límite de elastacidad
El límite elástico del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 250 MPa.
El límite elástico del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 150 MPa.
El límite elástico del berilio de cobre – UNS C17200 es de aproximadamente 1100 MPa.
El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Fuerza de produccióno el límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Módulo de Young
El módulo de Young del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 110 GPa.
El módulo de Young del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 103 GPa.
El módulo de Young del berilio de cobre – UNS C17200 es de aproximadamente 131 GPa.
El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta un esfuerzo limitante, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke , la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young.. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.
Dureza de los bronces
La dureza Brinell del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 170 MPa. La dureza de los bronces de aluminio aumenta con el contenido de aluminio (y otras aleaciones), así como con las tensiones causadas por el trabajo en frío.
La dureza Brinell del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 75 BHN.
La dureza Rockwell del cobre berilio – UNS C17200 es de aproximadamente 82 HRB.
La prueba de dureza Rockwell es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.
La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 ° ) y una carga mayor de 150 kg.
Ejemplo: resistencia
Suponga una varilla de plástico, que está hecha de bronce. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm 2 . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia a la tracción máxima de este material, que es: UTS = 310 MPa.
Solución:
La tensión (σ) se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:
por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:
F = UTS x A = 310 x 10 6 x 0,0001 = 31 000 N
Resistencia de materiales
Elasticidad de los materiales
Dureza de los materiales
Propiedades térmicas de los bronces
Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de temperatura y a la aplicación de calor . A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente .
La capacidad calorífica , la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.
Punto de fusión de los bronces
El punto de fusión del bronce de aluminio – UNS C95400 es de alrededor de 1030 ° C.
El punto de fusión del bronce de estaño (UNS C90500) es de alrededor de 1000 ° C.
El punto de fusión del berilio de cobre – UNS C17200 es de alrededor de 866 ° C.
En general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.
Conductividad térmica de los bronces
La conductividad térmica del bronce de aluminio – UNS C95400 es 59 W / (mK).
La conductividad térmica del bronce de estaño, UNS C90500, es de 75 W / (mK).
La conductividad térmica del cobre berilio – UNS C17200 es 115 W / (mK).
Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica , k (o λ), medida en W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción . Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.
La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:
La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir k = k (T) . Se asocian definiciones similares con conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.
Ejemplo: cálculo de transferencia de calor
La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.
Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). La pared tiene 15 cm de espesor (L 1 ) y está realizada en Bronce con una conductividad térmica de k 1 = 75 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h 1 = 10 W / m 2 K y h 2 = 30 W / m 2 K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).
Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.
Solución:
Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :
El coeficiente de transferencia de calor general está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.
Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente de transferencia de calor general se puede calcular como:
El coeficiente de transferencia de calor total es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 75 + 1/30) = 7,39 W / m 2 K
El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,39 [W / m 2 K] x 30 [K] = 221,67 W / m 2
La pérdida total de calor a través de esta pared será: q pérdida = q. A = 221,67 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 6650,25 W
Punto de fusión de materiales
Conductividad térmica de materiales
Capacidad calorífica de materiales
