¿Es posible eliminar parte de una pieza de metal para hacerlo más fuerte? ¿Podría uno perforar agujeros en un cubo de acero para ayudarlo a soportar más peso sin deformarse?

No es un experto en este campo.

Si tenía una grieta en una lámina de metal, podría perforar en la punta de la grieta para detener temporalmente la propagación de la grieta. Luego se puede hacer una reparación más permanente.

Estos se conocen como agujeros taladrados . El orificio perforado ayuda a aliviar el estrés que se concentra en la punta de la grieta.


Entonces, a su pregunta: Sí, eliminar un poco de material puede ayudar a que la estructura general sea más sólida.

Editar: La estructura no soportará más peso como resultado de la perforación. Stop-drill es una solución a corto plazo para grietas. Vea la respuesta de Mithil Kamble para un punto de vista más técnico.

(Fuente de la imagen: StopCrack Aerospace Stop Drilling Coldworking FTI )

No exactamente perforando agujeros. Sin embargo, existen algunas otras técnicas como hacer una estructura redundante de panal o estructura triangulada en lugar de una estructura sólida simple, ambas con un rendimiento casi similar.
Es posible a veces. Encontré un problema similar.
Se aplicó una fuerza de 12500N como se muestra con una flecha negra y la estructura se fijó en dos agujeros superiores marcados con azul. Estaba fallando en el punto marcado por el rojo. Pero los resultados mejoraron un poco después de que hice esto.
Creo que sucedió porque antes había una región muy fuerte justo después de una región débil que conducía a mucha rigidez y falla localizada, pero en el segundo caso la estructura pudo transmitir aún más la carga. Las mejoras no fueron impresionantes y todavía se producían fallas en otros puntos. Pero la resistencia de la estructura mejoró en la región local después de eliminar el material.

PD: Quizás mi razonamiento sea incorrecto. Abierto a discusión.

Cuando se carga una estructura, los diseñadores intentan asegurarse de que los campos de tensión distribuidos dentro de la estructura sean uniformes. Cualquier tipo de discontinuidad conduciría a la concentración de estrés.

Aquí hay una representación gráfica de cómo las tensiones se elevan cerca de un agujero dentro de la placa:
(Fuente: eFatigue – Glosario)

Como es evidente, perforar un agujero estresaría el material tres veces el valor normal. Si el agujero se hace elíptico, las tensiones aumentarían catastróficamente. El factor de intensidad de tensión es un parámetro que se utiliza para calcular tensiones elevadas en la punta de dichos agujeros elípticos.

Por lo tanto, si crea una discontinuidad de cualquier tipo (incluido el orificio perforado), invariablemente reduciría la capacidad de carga de una estructura.

El usuario de Quora mencionó perforar agujeros para evitar la propagación de grietas. Aunque se realiza en los talleres, es solo una solución rápida y reduce la capacidad general de carga (como ha señalado). La soldadura sería una mejor opción y en realidad agrega material a la estructura.

No. Solo aumentará la tensión en el metal que queda. Se deformará más.

SIN EMBARGO, si abordamos la idea detrás de la pregunta en lugar de la física exacta exacta; Puedo concebir una forma de hacer que el cubo resista más peso. Tenga en cuenta que no incluí la palabra deformante. El cubo fallará al deformarse cuando falla. No deformar el cubo significa que la carga será cero ya que la deformación comienza como deformación elástica y luego deformación plástica a una carga más alta por encima del límite elástico o el límite elástico. Después de pasar el límite de elasticidad, significa que deforma plásticamente el metal de forma permanente. Con la deformación elástica, que puede ser bastante grande, cuando se elimina la carga, el cubo vuelve a la forma original. Por lo tanto, cuando se utiliza la terminología de manera flexible como en la pregunta, la intención de la pregunta era la deformación plástica permanente y la deformación elástica no se consideró en absoluto. El cubo no fallará en absoluto si se deforma elásticamente. Sin embargo, con la carga, hay deformación: se hinchará alrededor del medio si se trata de una carga de compresión.

Ahora que tenemos claro qué es la deformación, puedo continuar demostrando cuán hábil es la remoción de metal que puede soportar una carga mayor sin fallas, pero se deformará tanto elástica como plásticamente.

Comenzamos con un cubo de acero perfecto con esquinas y bordes limpios y afilados. Si esto se carga bajo compresión hasta el punto elástico y luego en deformación plástica a una carga más alta, el abultamiento del metal cerca del ecuador, por así decirlo, alrededor del medio, aumentará más rápido, sí más rápido, en los bordes verticales del cubo . Esto es simplemente porque la esquina no está soportada en 3 de los 4 cuadrantes centrados en la línea de borde. Una línea vertical en el medio de una cara del cubo se apoya en 2 de los 4 cuadrantes. La carga en todo el metal se distribuye uniformemente por todo el sólido, por lo que los bordes se deforman plásticamente primero y se agrietan primero. Estas grietas, una vez formadas, crecen en el material desde el medio de los bordes hacia adentro a medida que continúa la falla. Finalmente, las grietas se encuentran en el medio y la mitad superior se separa de la mitad inferior.

Entonces, para retrasar la formación de grietas en el borde del cubo, retire el borde afilado y redondee los bordes suavemente por una pequeña cantidad. Tomará más tiempo o más carga para comenzar las grietas. Solo después de que comienza una grieta, comienza la falla. No hay una regla para determinar la cantidad a eliminar o para ser más precisos, qué radio debe tener el borde. Se debe calcular la deformación hasta el fallo en el borde afilado a partir de las propiedades del acero que se está utilizando y luego calcular la deformación en los puntos dentro de la esquina. Al mismo tiempo, a medida que el radio aumenta al eliminar el metal, menos metal tomará la carga y todo el cubo tendrá una mayor tensión pero con una tensión menor que la falla. Dicho de otra manera, un cilindro sin esquinas tendrá una carga mayor que un cubo de la misma área de sección transversal. Pero entonces no responderemos la pregunta dada.

La carga de una pieza de material es una función multivariable. Puedo pensar en algunos de ellos y puede que haya otros.

1-La posición, dirección, área y distribución de la carga aplicada, etc. La distribución de tensiones en el punto de aplicación es crucial.

2-La amplitud, frecuencia, duración y factor de forma de la función de carga si la carga no es estática. Hay tablas que dan la relación entre la carga de carga estática y dinámica de los materiales en diversas condiciones.

3-La forma y detalles del material de la pieza bajo carga. Esto decide la distribución del estrés dentro de la pieza.

4-El tipo de soporte de la pieza bajo carga. Cuanto más apoyo tenga, más fuerte se volverá la pieza, si se elige correctamente.

5-Los diferentes materiales tienen diferentes resistencias en tensión, compresión y corte. Uno puede jugar en esto para obtener la fuerza óptima. Un buen ejemplo de esto es el uso de varillas de acero para fortalecer las columnas y vigas de hormigón. Se ve que las varillas de acero cambian de posición hacia arriba y hacia abajo en una viga para encargarse de las tensiones de tensión, que el hormigón puede fallar en la tensión más pequeña. Además, si tiene una carga impactante, vale la pena llevar material cerca del punto de aplicación para hacer que esa parte sea más un resorte que pueda absorber la energía del impacto.

La guía en todo esto son los valores de estrés puntuales, o la distribución del estrés. Una pieza de material falla en un punto si la tensión en ese punto excedió la capacidad de soporte de ese material … en compresión, tensión o cizallamiento. La falla en un punto podría comenzar una grieta y hacer que los puntos seguros hasta ahora también fallen.

La fuerza de la materia en un punto proviene, como sabemos, de las fuerzas eléctricas entre las moléculas y de cómo están organizadas. Esto es lo que hace que el diamante sea muy bueno en compresión, tensión, pero no corte, por ejemplo. También es lo que hace que el diamante en polvo sea bueno en compresión pero con capacidad cero en tensión, y el grafito es muy fácil de cortar, mientras que el diamante es todo lo contrario. También es lo que hace que las fibras de carbono tengan las propiedades que tienen, cuando en todos los ejemplos anteriores, el material es solo carbono C.

Cómo encontrar distribuciones de estrés … bueno, esta es la industria de hoy en día … use la computadora y un software para hacer las predicciones, luego cambie lo que quiera y verifique nuevamente. O incluso podría usar un buen software de optimización de forma para decirle cómo cambiar para obtener el óptimo … Me fascina mirar los diseños de sillas modernas, por ejemplo, cuán delgados y elegantes son, en comparación con las viejas sillas de madera, algunas de los cuales ni siquiera se puede levantar. Vi algunos como estos en un bar en la antigua Bagdad y pregunté por qué mantienen estas sillas súper pesadas hasta ahora … dijo el asistente; para evitar que los clientes los arrojen a altas horas de la noche.

¿Más fuerte contra qué tipo de carga, tensión, compresión, deflexión, fluencia, fatiga o impacto? Por ejemplo, al eliminar la parte media de la viga de acero estructural de INP, su resistencia a la flexión (flexión) mejora enormemente a través del aumento de su momento en caso de inercia. Este dibujo revela cómo hacer vigas estructurales de INP en forma de panal mediante la unión y soldadura de dos mitades:

Esta pregunta esconde algo de física.

Cuando comprimes, ¿puedo simplificar el cubo en un cilindro? Por favor, la sección transversal vertical del cilindro tenderá a abultarse, y este abultamiento finalmente causará grietas alrededor de su ecuador, ya que comienza a parecerse a una esfera. Esta tendencia a la protuberancia puede ser negada ‘estirando’ el cilindro alrededor de su ‘ecuador’, de modo que se genera una fuerza de compresión radial hacia adentro cuando el cilindro se somete a una compresión axial. Esta fuerza de compresión hacia adentro también AUMENTARÁ la resistencia a la compresión axial de acuerdo con la relación de Poisson del material.

Entonces, sí, quitar algo de material de un cilindro puede hacerlo más fuerte. El mismo argumento se aplicará hasta cierto punto a un cubo.

Si conoce el vector de fuerza (o en la carga continua de la carga por unidad de longitud o área) que va a aplicar, puede eliminar algo de material (no perforar agujeros) para que el diseño resultante sea uno en el que las fuerzas se distribuyan más uniformemente (menos concentración de estrés).
También puede mejorar la vida útil de la fatiga puliendo la superficie puliendo o cualquier otro proceso que implique, en teoría, eliminar el material.
De lo contrario, no hay ninguna razón como tal para que la eliminación del material y los agujeros de perforación aumenten la resistencia del material para fines de carga general.

Una opinión diferente sobre la pregunta. En general, supongo que la eliminación de material también puede incluir simplemente rectificar algunas partes del material. En ese caso, es posible. Al eliminar los bordes afilados del material y suavizar las esquinas, hace que el “metal” (Estructura, para ser precisos) sea más fuerte, ya que esto disminuirá el factor de concentración de carga para la estructura.

Como señaló Mithil Kamble, hacer agujeros en la estructura realmente no ayuda.

Una manera fácil de entender esto sería tomar un lápiz estándar y afilarlo. Atasca el lápiz y verás que una punta afilada se derrumba, mientras que una roma no.

Si no le importa el peso o el costo del material en sí mismo, más es siempre mejor para la resistencia.

Es cuando tiene que cumplir con un presupuesto de peso / costo que puede valer la pena perforar agujeros o similares. Dependiendo de la forma en que se aplica la fuerza, gran parte del material puede estar contribuyendo solo una pequeña cantidad a la resistencia y es mejor eliminarlo por completo o volver a desplegarlo en otro lugar.

Esto es particularmente dramático con vigas (elementos largos que necesitan resistir la fuerza lateral), donde es el material en el exterior lo que cuenta, lo que lleva a cuadrados huecos y círculos huecos, y formas como la viga en I.

Para un cubo en compresión, probablemente no haya buenos trucos para eliminar material sin eliminar la resistencia en proporción, pero al menos puede evitar estrategias tontas que le quiten mucha más fuerza que el material. Para usar como taburete, un panal de agujeros de perforación vertical es probablemente el menos malo.

Si tiene el fuselaje de una aeronave con una ventana cuadrada pequeña y retira una cantidad limitada de material de los lados de la abertura de la ventana para formar una ventana con esquinas redondeadas, el fuselaje será menos susceptible a fallas por fatiga y, por lo tanto, más fuerte.

Sin ningún tipo de peros, fatiga y esas cosas, es posible quitar un trozo de metal para hacerlo más fuerte.

En el diagrama anterior, elimine la trompa de la sección -A para convertirla en la sección -B. La sección B es más fuerte que la sección A en flexión.

Si y no.

Simplemente quitar el metal lo debilitará y concentrará las tensiones alrededor de los bordes de los agujeros, por lo que no hay forma de hacerlo más fuerte.

Sin embargo, el acto mismo de trabajar en el metal cambia la estructura cristalina, lo que lo hace más difícil. Como era de esperar, se llama “endurecimiento del trabajo”. Si el metal es blando o recocido para comenzar, perforar agujeros o estresarlo de otra manera puede dificultarlo.

Por ejemplo, hay un proceso llamado “shot peening” en el que golpean una pieza de metal con municiones de movimiento rápido. Ese trabajo endurece la superficie del metal. Está hecho para cosas como el tren de aterrizaje de los aviones, donde necesitan la mayor fuerza por peso.

Nadie dijo que no podías poner algo más en los agujeros perforados. Entonces, la respuesta puede ser sí.

Además, si se perforaran agujeros para permitir una conversión uniforme del material mediante tratamiento térmico con carbón, entonces el elemento perforado podría ser mucho más resistente a las fuerzas de compresión. Así que de nuevo, sí.

Si se le permite agregar el material eliminado nuevamente en otro lugar, entonces la respuesta es –teóricamente– sí.

Piense en una cuerda de escalada realmente larga, o la cuerda para un elevador espacial. Se vuelve “más fuerte” si lo haces cónico. En otras palabras, si quita material de la parte inferior de la cuerda, la cuerda total soportará una carga externa más grande.

No, no importa lo que hagas, un cubo perforado nunca podría ser más fuerte que una pieza sólida, cada vez que taladras un agujero estás proporcionando un espacio para que el metal se derrumbe cuando está bajo tensión.