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Cuando se selecciona un material para construir un edificio o una máquina, es necesario conocer sus propiedades mecánicas, así como su capacidad para soportar esfuerzos. Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan en diferentes pruebas de laboratorio entre las que podemos mencionar: la dureza, la maleabilidad, la ductibilidad. La capacidad de los materiales para soportar esfuerzos se obtiene en pruebas o ensayos en las que se les aplican cargas (tensión, compresión, torsión) y se observa su comportamiento.

 

El diagrama que representa la relación entre esfuerzo y deformación en un material dado es una característica importante del material. Para obtener el diagrama esfuerzo - deformación de un material, se realiza usualmente una prueba de tensión a una probeta del material. En la figura 1 se muestra uno de los tipos de probeta que se utilizan. El área de la sección transversal de la parte cilíndrica central de la probeta ha sido determinada exactamente y dos marcas se han inscrito en esa porción a una distancia Lo. La distancia Lo es conocida como la longitud base de la probeta.

Figura 1

La probeta se coloca en la máquina de prueba que se usa para aplicar la carga central P. Al aumentar P, la distancia L entre las dos marcas se incrementa (véase la figura 2). La distancia L puede medirse con el instrumento mostrado y la elongación d = L - Lo se registra para cada valor de P. Un segundo medidor se usa frecuentemente para medir y registrar el cambio en el diámetro de la probeta. De cada par de lecturas P y d, se calcula el esfuerzo dividiendo a P por el área de la sección transversal inicial Ao de la muestra, y la deformación e dividiendo el alargamiento d  por la distancia original Lo entre las dos marcas mencionadas. El diagrama esfuerzo - deformación se obtiene tomando e como abscisa s como ordenada.

Figura 2

Los diagramas esfuerzo - deformación para diferentes materiales varían considerablemente, y diferentes pruebas de tensión del mismo material pueden producir diferentes resultados, dependiendo de la temperatura de la muestra y de la rapidez de aplicación de la carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes entre los diagramas esfuerzo - deformación de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías sobre la base de estas características. Materiales dúctiles y materiales frágiles.

 

Los materiales dúctiles, que comprenden el acero estructural y muchas aleaciones de otros materiales, se caracterizan por su capacidad para fluir a temperaturas normales. Cuando se somete la probeta a carga creciente, su longitud aumenta primero linealmente con la carga ya una tasa muy lenta. Así, la porción inicial del diagrama esfuerzo - deformación es una línea recta con una pendiente pronunciada (véase la figura 3). Sin embargo, después de que se alcanza un valor crítico del esfuerzo, la probeta sufre grandes deformaciones con un pequeño aumento de la carga aplicada. Esta deformación ocurre por deslizamiento del material en superficies oblicuas y se debe principalmente a esfuerzos cortantes.

Figura 3

Como puede notarse en los diagramas esfuerzo - deformación de dos materiales dúctil es típicos (véase la figura 3), el alargamiento de la probeta después de empezar a fluir puede ser 200 veces su alargamiento antes de fluir. Después de alcanzar determinado valor máximo de carga, el diámetro de una porción de la probeta empieza a disminuir debido a la inestabilidad local (véase ]a figura 4a), Esté fenómeno se conoce como estricción. Cuando la estricción se ha iniciado, cargas más pequeñas son suficientes para mantener a la muestra alargándose aún más, hasta que finalmente se rompe (véase la figura 4b). La ruptura ocurre a la largo de una superficie cónica que forma un ángulo de 45° con la superficie original de la probeta. Esto indica que los esfuerzos cortantes son los principales causantes de la falla de materiales dúctiles y confirma el hecho de que, bajo carga axial, los esfuerzos cortantes son máximos en superficies que forman ángulos de 45° con la carga .El esfuerzo sY cual se inicia la fluencia es llamado resistencia a la fluencia del material, el esfuerzo sU que corresponde a la carga máxima aplicada a la probeta es la resistencia última y el esfuerzo sB, correspondiente a la ruptura, es la resistencia a la ruptura.

Figura 4

Los materiales frágiles como fundición, cristal y la piedra se caracterizan porque la ruptura ocurre sin que se presente antes un cambio importante en la tasa de alargamiento (véase la figura 5). Así, para materiales frágiles no hay diferencia entre resistencia última y resistencia a la ruptura. También, la deformación en el momento de la ruptura es mucho más pequeña para materiales frágiles que para materiales dúctiles. En la figura 6, se nota que no se presenta estricción en la probeta en el caso de un material frágil y se observa que la ruptura ocurre en una superficie perpendicular a la carga. Se concluye de esta observación que los esfuerzos normales son los principales causantes de la falla de los materiales quebradizos.  Se supone que las pruebas de tensión descritas en esta sección se ejecutan a temperaturas normales. Sin embargo, un material dúctil a temperaturas normales puede presentar las características de un material frágil, a temperaturas muy bajas, mientras que un material normalmente frágil puede comportarse como dúctil a muy altas temperaturas. A temperaturas distintas de las normales uno debe referirse a materiales en estado dúctil o en estado frágil y no, a materiales dúctiles o frágiles.

         

                                            Figura 5                                                           Figura 6

Los diagramas esfuerzo - deformación de la figura 3 muestran que el acero estructural y el aluminio, que son dúctiles, tienen diferentes características de fluencia. En el caso del acero estructural (véase la figura 3a), los esfuerzos permanecen constantes en un rango amplio de valores de la deformación, después de la aparición de la fluencia. Después, se debe incrementar el esfuerzo para que la probeta continúe alargándose, hasta que se llegue al valor máximo sU. Esto se debe a la propiedad del material llamada endurecimiento por deformación. La resistencia a la fluencia del acero estructural puede determinarse durante la prueba de tensión, observando el indicador de carga. Después de aumentar continuamente la carga, se observa que cae súbitamente a un valor ligeramente inferior que se mantiene por algún tiempo mientras la probeta sigue alargándose. En un ensayo bien efectuado uno puede distinguir entre el punto de fluencia que corresponde a la carga alcanzada, justo antes de que empiece la fluencia, y el punto de fluencia más bajo que corresponde a la carga requerida para mantener la fluencia. Como el punto de fluencia superior es transitorio, debe usarse el punto de fluencia inferior para determinar la resistencia a la fluencia del material.

 

En el caso del aluminio (véase la figura 3b) y de otros materiales dúctiles, el inicio de la fluencia no está caracterizado por una porción horizontal de la curva esfuerzo - deformación. En cambio, el esfuerzo sigue creciendo, aunque no linealmente, hasta alcanzar la resistencia última. Entonces empieza la estricción y eventualmente la ruptura. Para tales materiales se puede definir la resistencia a la fluencia sY por el método de la línea compensada. El punto de fluencia al 0.2% compensado, por ejemplo, se obtiene dibujando, por el punto del eje horizontal de abscisa e = 0.2% (e = 0.002), una línea paralela a la parte lineal del diagrama esfuerzo - deformación (véase la figura 7). El esfuerzo sY que corresponde al punto Y obtenido de esta manera se define como la resistencia a la fluencia al 0.2% compensado.

Figura 7

 

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Ing. Luis Manuel González Osorio 2004

cb13_luis_osorio@hotmail.com