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La curiosa danza del estrés y la tensión: ¿cómo se deforman los materiales bajo presión?
En ingeniería y ciencia de los materiales, las curvas de tensión-deformación son clave para comprender el comportamiento del material. Esta curva muestra la relación entre la tensión y la deformación, que se obtiene aplicando gradualmente una carga a una muestra de material de prueba y midiendo su deformación. Estas curvas no sólo ayudan a los ingenieros a predecir el rendimiento de un material, sino que también pueden revelar muchas propiedades importantes del material, como el módulo de Young, la resistencia al rendimiento y la resistencia máxima a la tracción.
Las curvas de tensión-deformación pueden revelar las propiedades de los materiales en diferentes etapas de deformación, lo que las convierte en una herramienta importante que no se puede ignorar en la comunidad de ingeniería.
Definición de curva de tensión y deformación
En general, una curva de tensión-deformación representa la relación entre la tensión y la deformación en cualquier forma de deformación. Estas relaciones pueden ser normales, de corte o una mezcla de ambas, y pueden ser uniaxiales, biaxiales o multiaxiales, e incluso pueden variar con el tiempo. La deformación puede ser en forma de compresión, tensión, torsión, rotación, etc.
Las discusiones futuras se centrarán principalmente en la relación entre la tensión normal axial y la deformación normal axial, que se obtiene a partir de pruebas de tracción. En muchas situaciones prácticas, diferentes materiales mostrarán diferentes curvas de tensión-deformación que reflejan el comportamiento único de los materiales.
Diferentes etapas de la curva de esfuerzo-deformación
La curva de tensión-deformación de muchos materiales se puede dividir en varias etapas diferentes, cada una de las cuales muestra un comportamiento diferente. Tomando como ejemplo el acero con bajo contenido de carbono, su curva de tensión-deformación a temperatura ambiente muestra las siguientes etapas principales:
Región elástica lineal
La primera etapa es la región elástica lineal. En esta región, la tensión es proporcional a la deformación, es decir, sigue la ley de Hawke, y la pendiente de esta región es el módulo de Young. Aquí, el material sufre únicamente una deformación elástica hasta que alcanza el punto donde comienza la deformación plástica, y la tensión en este punto se denomina resistencia al límite elástico.
Región de endurecimiento por deformación
La segunda etapa es la región de endurecimiento por deformación. En esta región, las tensiones aumentan gradualmente a medida que exceden el punto de fluencia hasta que se alcanza la llamada resistencia máxima a la tracción. Esta región se caracteriza por un aumento de tensión que ocurre principalmente a medida que el material se estira. Como en esta etapa el material está sujeto a endurecimiento por trabajo, es necesario aplicar tensiones cada vez mayores para superar la resistencia interna.
Durante el proceso de endurecimiento por deformación, la deformación plástica aumenta la densidad de dislocaciones dentro del material, lo que tendrá un impacto significativo en el comportamiento de deformación posterior.
Zona del cuello
La tercera etapa es la región de estrechamiento. Cuando la tensión excede la resistencia máxima a la tracción, la sección transversal local del material se reducirá significativamente, formándose un cuello. En este punto, la deformación es desigual y la presión se concentra en la posición reducida, lo que conduce a un desarrollo más rápido del estrechamiento y, finalmente, a la fractura. Aunque la fuerza de tracción disminuye en este momento, el endurecimiento continúa y la tensión real continúa aumentando.
El final de la región de estrangulamiento representa la fractura del material, y la elongación y la reducción de la sección transversal después de la fractura se pueden calcular para beneficio de la comunidad de ingeniería en el diseño de materiales y procesos de fabricación.
Clasificación de materiales
Basándonos en las características comunes que muestra la curva de tensión-deformación, podemos dividir aproximadamente los materiales en dos categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles.
Materiales dúctiles
Los materiales dúctiles, como el acero estructural y la mayoría de los demás metales, exhiben la propiedad de ceder a temperaturas normales. Las curvas de tensión-deformación de dichos materiales suelen contener un punto de fluencia bien definido y muestran un rango de comportamiento de deformación durante la etapa de deformación plástica. La tenacidad de un material dúctil a menudo está relacionada con el área bajo su curva de tensión-deformación, que es un indicador de la energía que absorbe el material antes de fracturarse.Materiales frágiles
Los materiales frágiles, como el hierro fundido, el vidrio y algunas piedras, exhiben un comportamiento muy diferente al de los materiales dúctiles. Estos materiales a menudo no tienen un punto de rendimiento bien definido y, cuando se produce una fractura, la velocidad de deformación permanece prácticamente inalterada. Su curva de tensión-deformación suele ser lineal y no se produce ninguna deformación plástica significativa durante el proceso de deformación.Una característica de los materiales frágiles es que tienden a volver a su forma original al fracturarse, en contraste con la fractura por estrangulamiento de los materiales dúctiles.
Comprender cómo se comporta un material bajo diferentes presiones es sin duda crucial para el diseño y la selección de materiales adecuados. En ingeniería aplicada, necesitamos realizar investigaciones en profundidad sobre las propiedades de diversos materiales y cómo funcionan en diferentes situaciones. ¿Alguna vez has pensado en qué otros factores potenciales se deben considerar además de la resistencia al elegir materiales?
