PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

Cuando un sistema se somete a solicitaciones externas, sus componentes sufren esfuerzos y se deforman. La relación entre estos esfuerzos y las deformaciones producidas depende del material empleado y será materia de estudio en este capítulo.

2.1 Comportamiento de materiales bajo esfuerzo normal

Ensayo de compresión

Estudiemos en primer lugar la relación entre los esfuerzos normales empleando un ensayo de laboratorio.

2.1.1 El ensayo de tracción

Ensayo de tracción

Este ensayo consiste en aplicar una carga de tracción a una probeta cilindrica, al mismo tiempo que se va midiendo y registrando la deformación. Las figuras muestran la máquina de ensayo y un acercamiento de la probeta.

Si se ensayan dos probetas de dimensiones diferentes pero del mismo material, al graficar los resultados de deformación total ( ) versus carga aplicada (P), obtenemos dos curvas diferentes.

Estas curvas (P- ) obtenidas son diferentes a

pesar que ambas probetas fueron hechas del

mismo material. Por tanto estas curvas no

describen sólo el comportamiento del material,

sino que también reflejan las características

geométricas de las probetas.

Calculemos ahora los esfuerzos normales ( ) y las deformaciones unitarias ( )a partir de las fuerzas (P) y las deformaciones totales ( ) registradas en el ensayo. Al graficar las curvas - para ambas probetas, vemos que coinciden, y por tanto, ya no reflejan las características geométricas de las probetas sino que ahora sólo muestran el comportamiento del material.

Estudiemos ahora la relación esfuerzo-deformación para un metal como el acero dulce.

En una primera etapa de carga, la deformación crece linealmente con el aumento del esfuerzo. La pendiente de este tramo inicial recto se conoce como Módulo de Elasticidad. El punto A hasta donde se mantiene esta relación lineal se conoce como límite de proporcionalidad.

Si se incrementa ligeramente la carga más allá del punto A, la relación lineal se pierde. Sin embargo, si no se ha pasado del punto B, y se retira la carga, la probeta recupera completamente sus dimensiones iniciales. Esta caracteristica de recuperación completa se forma se denomina comportamiento elástico y el intervalo en que se produce (segmento OB en la curva) se denomina rango de comportamiento elástico del material.

Si a partir del punto B, seguimos deformando la probeta, ésta ingresa a una zona denominada Zona de fluencia, en que la deformación crece apreciablemente sin que se produzca un incremento del esfuerzo. Los puntos C y D corresponden al Inicio y al fin de la denominada Plataforma de fluencia. El esfuerzo para el cual se inicia este fenómeno se conoce como esfuerzo de fluencia ( ).

Si seguimos incrementando las deformaciones el material entra en una zona denominada de endurecimiento. En esta zona el incremento de deformaciones viene acompañado de un aumento de esfuerzos, hasta llegar a un valor máximo, denominado esfuerzo ultimo ( ).

Si incrementamos aún más la deformación de la probeta, el esfuerzo ahora disminuye y se produce una disminución apreciabIe del diámetro en una zona de la probeta, adquiriendo la apariencia de un cuello de botella. Este fenomeno se conoce como estriccion y da inicio a la rotura de la probeta. La deformacion maxima ( ) que alcanza el espécimen corresponde al instante de la rotura.

2.1.2 Tipos de comportamiento

La capacidad de deformación de un elemento, junto a su capacidad de recuperación de forma, son características propias de cada material. En este acápite se estudian estas características empleando un ensayo de tracción.

Comportamiento elástico e inelástico

Como se explicó, si una probeta se somete a un proceso de carga manteniendo el esfuerzo por debajo del límite elástico, al retirar la carga el elemento recupera sus dimensiones originales. Esto se puede interpretar como que el trabajo efectuado por la carga qee deformo el espécimen se almacena como energía potencial interna en la probeta. Esta energía sirve para que durante el proceso de descarga, la probeta recupere sus dimensiones originales.

En cambio si una probeta se carga más allá del límite elástico, y luego se descarga, la probeta ya no recupera su dimensión original y queda con una deformación permanente. Este tipo de comportamiento se denomina comportamiento inelástico y se debe a que sólo una parte del trabajo que realiza la carga se logra almacenar como energía interna y el resto se pierde al producir un cambio permanente en la estructura interna del material.

Comportamiento dúctil y frágil:

Algunos materiales pueden desarrollar grandes deformaciones más allá de su límite elástico. Este tipo de comportamiento se denomina dúctil, se refleja en la presencia de un escalón de fluencia en el diagrama , y viene acompañado del fenómeno de estricción. El acero dulce, el cobre y el aluminio son ejemplos de materiales que tienen este tipo de comportamiento.

Otros materiales como el vidrio, la piedra o el concreto, tienen una capacidad reducida de deformación más allá del rango elástico. Este tipo de comportamiento se denomina frágil y se caracteriza porque se alcanza la rotura de manera repentina sin presentar deformaciones importantes.

2.1.3 Tenacidad y resilencia

La cantidad de energía involucrada en el proceso de deformación de un elemento es una característica propia del material, se suele expresar por unidad de volumen y corresponde al área bajo la curva .

La resilencia se define como la máxima cantidad de energía por unidad de volumen que puede almacenar un material en el rango elástico y por tanto corresponde al área mostrada en la figura.

Por otro lado, la máxima cantidad de energía por unidad de volumen que se necesita emplear para llevar a un material hasta la rotura se denomina tenacidad y corresponde a toda el área bajo la curva .

2.1.4 Fatiga

Muchos

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