Imagen de diagrama esfuerzo deformación

Diagrama esfuerzo deformación

El diagrama esfuerzo – deformación  es una excelente representación del comportamiento de un material cuando está es sometido a una fuerza deformadora. En esta entrada te explicaré cada punto de este diagrama, qué es, en que consiste, sus características y todo lo relacionado. ¿Estás listo? ¡Vamos por ello!

Introducción

Cuando se  trata de emplear materiales para las diversas aplicaciones en ingeniería, debemos tomar en cuenta muchos factores a la hora de seleccionarlos; estos factores están determinados por el objetivo de un proyecto como puede ser: una estructura, una máquina o cualquier elemento que estará sometido a fuerzas actuantes. 

Para asegurar el mejor rendimiento posible de cualquier estructura o elemento, se sigue un proceso que incluye el estudio de materiales, su análisis y respectivas pruebas.

Uno de los estudios frecuentes es la resistencia de los materiales, y en particular la resistencia a la tracción es un aspecto a tomar en cuenta para ser considerado adecuado o no para la aplicación de un material en un proyecto de ingeniería.

Qué es el esfuerzo

El esfuerzo en mecánica de materiales, se define como la fuerza a la que está sometida cada unidad de área de un material.

Qué es la deformación

Es el cambio de la forma original que sufre un material al estar sometido a esfuerzos. Cabe mencionar que existen dos tipos de deformación: las deformaciones elásticas y plásticas.

Las deformaciones elásticas se presentan cuando un material deformado aún conserva sus propiedades de elasticidad que tratan de recuperar la forma original de un material.

Las deformaciones plásticas son aquellas deformaciones permanentes, en las que un material pierde sus propiedades elásticas y se comporta plásticamente.

Fórmulas de esfuerzo y deformación

Esfuerzo y deformación fórmulas
Ecuaciones del esfuerzo y la deformación

Concepto

El diagrama esfuerzo deformación es una representación gráfica, que resulta de representar los esfuerzos que sufre un material en función de la deformación que experimenta al mismo tiempo. Este diagrama comprende varios puntos clave con sus respectivos valores que servirán para tomar decisiones de ingeniería.  

Existen varios tipos de esfuerzos a las que pueden ser sometidos los materiales; los más conocidos son: esfuerzo de tensión, compresión, cortantes, etc.

A continuación veamos el diagrama esfuerzo de tensión – deformación y sus respectivas partes críticas:

Diagrama esfuerzo deformación
Imagen del diagrama esfuerzo deformación de materiales.

Partes del diagrama

El diagrama presenta varios puntos y regiones que representan un estado del material en cuestión.

Puntos críticos

Límite de proporcionalidad

Cuando un material es sometido a un esfuerzo de tracción, al principio trata de oponerse a la deformación y recobrar su forma original mientras la fuerza no exceda su límite de proporcionalidad.

Este es el punto en el que el material está al límite de ser elástico, si el esfuerzo que experimenta se excede, el material aún puede comportarse elásticamente pero ya no recobrar su forma original.

Límite de elasticidad

Después del límite de proporcionalidad un material experimenta una deformación aun elástica, esto significa que todavía trata de resistir al esfuerzo y recuperar su forma; sin embargo este es un punto bastante cercano al punto de fluencia.

Punto de fluencia

El punto de fluencia es aquella en el cual, el material deja su propiedad elástica; el esfuerzo ha superado su capacidad y desde este punto en adelante el material se comportará como un material plástico, es decir, ya no trata de recuperar su forma original.

Esfuerzo máximo o último

Llamado también esfuerzo último, en este punto el material a alcanzado su capacidad máxima de resistir al esfuerzo que actúa sobre ella, si la fuerza sigue actuando, entonces a partir de ahora el material colapsará hasta llegar al esfuerzo de rotura.

Esfuerzo de rotura

También conocida como el esfuerzo de fractura; este punto es aquella en la que el material sometido al esfuerzo llega a fracturarse de forma permanente.

Regiones del diagrama E-D

En el diagrama esfuerzo deformación, existen dos regiones importantes que representan las propiedades que experimenta un material cuando está sometido a esfuerzos; las cuales son: la región elástica y la región plástica.

Región elástica

Esta región comprende desde la inicio hasta el punto límite de elasticidad, en esta región el material presenta un comportamiento plástico, con mayor intensidad entre el punto inicial y el límite de proporcionalidad.

Cabe destacar que entre el punto inicial y el punto límite de proporcionalidad se cumple la ley de HOOK que establece que la fuerza de tracción es directamente proporcional a la deformación.

Región plástica

Esta región empieza desde que el material llega al punto de fluencia, pasando por el punto de esfuerzo máximo hasta el punto en que se fractura el material. En esta región el material sufre una deformación permanente.

Zonas importantes del diagrama esfuerzo deformación

Desde que un material empieza a experimentar un esfuerzo sobre ella hasta que llega a fracturarse, podemos identificar varias zonas críticas:

Zona elástica

Es la zona que anteriormente ya mencionamos, en la que el material se comporta elásticamente.

Zona de cedencia

Esta zona se presenta justo después al punto de fluencia, en esta zona el material experimenta una deformación permanente plástica con un esfuerzo constante, hasta llegar a un punto en el que para seguir deformando al material requerirá un aumento en la intensidad del esfuerzo que lo deforma.

Zona de endurecimiento

Esta zona se presenta después de que el material haya experimentado una deformación con esfuerzo constante; llega un punto en el que es necesario aumentar el esfuerzo para sacarla de la zona de cedencia; desde que se aumenta esfuerzo, el material experimenta una deformación y al mismo tiempo experimenta un endurecimiento, es decir aumenta su grado de dureza hasta llegar al punto de esfuerzo máximo.

Zona de estricción

La zona de estricción comprende desde el punto de esfuerzo máximo hasta el punto de esfuerzo de rotura. En esta zona el material no puede soportar ni un esfuerzo constante, solo decreciente; el material empieza a formar un cuello en una región y a partir de ello llega a fracturarse cuando el esfuerzo sigue actuando sobre ella.

Diagrama esfuerzo deformación de materiales dúctiles y frágiles

Existe una clara diferencia entre el diagrama de materiales dúctiles y materiales frágiles; los materiales dúctiles presentan mayor pendiente mientras los frágiles menor pendiente; esto es debido a las propiedades elásticas que naturalmente presentan los materiales dúctiles.

Diagrama esfuerzo deformación de materiales dúctiles y frágiles, diferencias
Diagrama esfuerzo deformación dúctiles vs frágiles.

La ley de Hook

Las fuerzas de tensión en materiales elásticos, hacen que se cumpla la ley de HOOK como mencionamos con anterioridad; esta ley establece una relación entre el esfuerzo y la deformación que experimenta un cuerpo cuando está sometido a una carga.

El esfuerzo y deformación son directamente proporcionales, es decir cuánto más esfuerzo resiste un material, mayor deformación experimenta y cuanto menor esfuerzo resiste, menor es la deformación.

La ley de Hook se cumple hasta que el material alcanza su límite de proporcionalidad; a partir de dicho punto los materiales dejan de comportarse elásticamente.

La constante de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación se conoce también como el módulo de elasticidad, módulo de Young y podemos expresarla de la siguiente manera;

También podemos expresar como la tangente del ángulo que existe entre la recta de proporcionalidad y el eje de las abscisas.

El módulo de Young

También conocida como el módulo de elasticidad longitudinal, es una constante que poseen los materiales; esta constante refleja el grado de elasticidad que posee un determinado material.

Los materiales con mayor módulo de Young son menos elásticos, es decir más rígidos y los materiales con menor módulo de Young poseen mayor elasticidad.

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