Diagrama esfuerzo-deformación (página 2)

  Muchos materiales alcanzan un estado en el cual la deformación comienza a crecer rápidamente sin que haya un incremento correspondiente en el esfuerzo. Tal punto recibe el nombre de punto de cedencia o punto de fluencia.

  Se define la resistencia de cedencia o fluencia Sy mediante el método de corrimiento paralelo.

El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Para ello se coloca la probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.

MÁQUINA PARA ENSAYO DE TRACCIÓN

Se utiliza para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas cuasi-estáticas de tensión y compresión, obteniendo sus gráficos de esfuerzo-deformación y su módulo de elasticidad (módulo de Young). Con esta información podemos determinar que tan elástico o plástico será el comportamiento de un material bajo la acción de una fuerza axial actuando sobre él.

La figura 10 ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Figura 10

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamiento final Lf (Figura 11) y el diámetro final Df, que nos dará el área final Af.

Figura 11

Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas %? L:

% RA= x 100 % ? L = x 100.

Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura 12  permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.

Figura 12

El área bajo la curva fuerza – desplazamiento (F versus ? L) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz.

A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-Deformación ? – ? . El esfuerzo ?, que tiene unidades de fuerza partido por área, ha sido definido anteriormente, la deformación unidimensional:

Para estudiar el comportamiento mecánico de los materiales, se recurre a la experimentación sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y registrando la deformación resultante. Estos datos se expresan en diagramas sl-el como los de la Figura 7, donde toma la forma de curvas similares (en forma) a las obtenidas en los ensayos de succión capilar. En la Figura 7 puede apreciarse un tramo de la curva sl-el donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. Este comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo para pequeñas deformaciones, hasta un límite denominado límite de proporcionalidad, representado en la Figura 7 por el punto a. En este tramo, el comportamiento del material es elástico, esto es, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente, se recorre el mismo tramo de la curva en sentido contrario, hasta alcanzar el punto de origen donde el esfuerzo y la deformación son nulos. La proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación en el tramo de la ley de Hooke permite definir el módulo de Young o módulo de elasticidad (E). Este módulo es la constante de proporcionalidad, de manera que:

Donde el módulo de elasticidad E es positivo (?l y ?l son negativos) y presenta las mismas dimensiones que el esfuerzo ya que ?l es adimensional. El valor del módulo de Young es característico para distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las características mecánicas de los mismos.

Zona elástica

La zona elástica es la parte donde al retirar la carga el material regresa a su forma y tamaño inicial, en casi toda la zona se presenta una relación lineal entre la tensión y la deformación y tiene aplicación la ley de Hooke. La pendiente en este tramo es el módulo de Young del material. El punto donde la relación entre ? y ? deja de ser lineal se llama límite proporcional. El valor de la tensión en donde termina la zona elástica, se llama límite elástico, y a menudo coincide con el límite proporcional en el caso del acero.

Meseta de fluencia

Región en donde el material se comporta plásticamente; es decir, en la que continúa deformándose bajo una tensión "constante" o, en la que fluctúa un poco alrededor de un valor promedio llamado límite de cedencia o fluencia.

Endurecimiento por deformación

Zona en donde el material retoma tensión para seguir deformándose; va hasta el punto de tensión máxima, llamado por algunos tensión ó resistencia última por ser el último punto útil del gráfico.

Zona de tensión post-máxima

En éste último tramo el material se va poniendo menos tenso hasta el momento de la fractura. La tensión de fractura es llamada también tensión última por ser la última tensión que soportó el material.

FORMA REAL DE LA CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓN

La curva descrita anteriormente se utiliza en ingeniería, pero la forma real de dicha curva es la siguiente:

Aquí no se presenta una relajación de la tensión, pues sigue aumentando hasta la rotura.

Después del punto de carga máxima en el gráfico de ingeniería, comienza a formarse un "cuello" en la probeta; este fenómeno se conoce como estricción.

Esta disminución en el área transversal ocurre por deslizamiento debido a tensión cortante en superficies que forman 45° con el eje de la barra.

Sea una barra de acero al bajo carbono (A-36) sujeta a tensión con sección circular.

Propiedades mecánicas del acero

•  Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta en contacto de fricción con otro material.

• Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras  (resistencia al impacto).

• Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

• Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.

Elasticidad: es la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza.

"Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los que recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej: caso de un resorte o hule al cual le aplicamos una fuerza.

Plasticidad: es aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse.

Esfuerzos Cortantes

Si sobre un cuerpo la fuerza se aplica de manera tangente, su deformación se efectúa de la manera que se esquematiza en la figura adjunta.

Se dice que la fuerza es una fuerza cortante pura. La deformación producida viene caracterizada por el ángulo a, tal y como se esquematiza en la figura. La tensión se simboliza por la letra t, y vale:

En el caso de fuerzas cortantes sobre cuerpos elásticos de Hooke, la ley se expresa como: t = G•a

En la que la constante de proporcionalidad (G) entre deformaciones angulares y tensiones se denomina módulo de elasticidad transversal o módulo de tensión cortante. Esta constante o módulo no es independiente del de Young, sino que está relacionado con él según la relación:

De la definición del módulo de Poisson (µ) se deduce: e1 = µ•e0, es decir:

Conclusión

Los materiales, en su totalidad, se deforman a una carga externa. Se sabe además que, hasta cierta carga límite el sólido recobra sus dimensiones originales cuando se le descarga. La recuperación de las dimensiones originales al eliminar la carga es lo que caracteriza al comportamiento elástico. La carga límite por encima de la cual ya no se comporta elásticamente es el límite elástico. Al sobrepasar el límite elástico, el cuerpo sufre cierta deformación permanente al ser descargado, se dice entonces que ha sufrido deformación plástica.El comportamiento general de los materiales bajo carga se puede clasificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. Los materiales dúctiles exhiben una curva Esfuerzo – Deformación que llega a su máximo en el punto de resistencia a la tensión. En materiales más frágiles, la carga máxima o resistencia a la tensión ocurre en el punto de falla. En materiales extremadamente frágiles, como los cerámicos, el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el esfuerzo de ruptura son iguales.

La deformación elástica obedece a la Ley de Hooke La constante de proporcionalidad E llamada módulo de elasticidad o de Young, representa la pendiente del segmento lineal de la gráfica Esfuerzo – Deformación, y puede ser interpretado como la rigidez, o sea, la resistencia del material a la deformación elástica. En la deformación plástica la Ley de Hooke deja de tener validez.

Autor:

Alejandro Pino