ESFUERZO Y DEFORMACION

Introducción

El ensayo normal a la tensión se emplea para obtener varias características y resistencias que son útiles en el diseño.El uso de los materiales en las obras de ingeniería hace necesario el conocimiento de las propiedades físicas de aquellos, y para conocer estas propiedades es necesario llevar a cabo pruebas que permitan determinarlas. Organismos como la ASTM (American Society for Testing and Materials) en Estados Unidos, se encargan de estandarizar las pruebas; ponerles límites dentro de los cuales es significativo realizarlas, ya que los resultados dependen de la forma y el tamaño de las muestras, la velocidad de aplicación de las cargas, la temperatura y de otras variables.Todos los materiales metálicos tienen una combinación de comportamiento elástico y plástico en mayor o menor proporción.Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el ensayo, los dos conceptos son completamente distintos.A escala atómica, la deformación elástica macroscópica se manifiesta como pequeños cambios en el espaciado interatómico y los enlaces interatómicos son estirados. Por consiguiente, la magnitud del módulo de elasticidad representa la resistencia a la separación de los átomos contiguos, es decir, a las fuerzas de enlace interatómicas. A escala atómica, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces entre átomos vecinos más próximos y a la reformación de éstos con nuevos vecinos, ya que un gran número de átomos o moléculas se mueven unos con respecto a otros; al eliminar la tensión no vuelven a sus posiciones originales.

Esfuerzo

Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas dentro del material por lo que se distribuyen en toda el área; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por unidad de área, la cual se denota con la letra griega sigma (σ) y es un parámetro que permite comparar la resistencia de dos materiales.σ = P/A

Donde: P≡ Fuerza axial; A≡ Area de la sección transversalDEFORMACIÓN.

Deformacion

La resistencia del material no es el único parámetro que debe utilizarse al diseñar o analizar una estructura; controlar las deformaciones para que la estructura cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la misma o mayor importancia. El análisis de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las cargas aplicadas.

Una barra sometida a una fuerza axial de tracción aumentara su longitud inicial; se puede observar que bajo la misma carga pero con una longitud mayor este aumento o alargamiento se incrementará también. Por ello definir la deformación (ε) como el cociente entre el alargamiento δ y la longitud inicial L, indica que sobre la barra la deformación es la misma porque si aumenta L también aumentaría δ. Matemáticamente la deformación sería:

ε = δ/L

DIAGRAMA.

El diagrama es la curva resultante graficada con los valores del esfuerzo y la correspondiente deformación unitaria en el espécimen calculado a partir de los datos de un ensayo de tensión o de compresión.

a) Límite de proporcionalidad:Se observa que va desde el origen O hasta el punto llamado límite de proporcionalidad, es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la tan conocida relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada en el año 1678 por Robert Hooke. Cabe resaltar que, más allá la deformación deja de ser proporcional a la tensión.

b) Limite de elasticidad o limite elástico:Es la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación permanente.

c) Punto de fluencia:Es aquel donde en el aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir mientras dura la fluencia. Sin embargo, el fenómeno de la fluencia es característico del acero al carbono, mientras que hay otros tipos de aceros, aleaciones y otros metales y materiales diversos, en los que no manifiesta.

d) Esfuerzo máximo:Es la máxima ordenada en la curva esfuerzo-deformación.

e) Esfuerzo de Rotura:Verdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura.

Zona elásticaCargado del punto “O” al punto “A” ( hasta el limite de proporcionalidad)

Una vez que esta la probeta situada en las mordazas, se inician cargas sucesivas de tracción, tal que la deformación partiendo de 0 llega hasta el punto “A” ; cuya trayectoria descrita por el monitor es lineal en consecuencia el esfuerzo es proporcional a la deformación, lo que ocurre al material es un comportamiento elástico, que significa que si se lo descarga en ese rango incluyendo el punto “A”, retornara a su estado original sin ningún cambio en su longitud (L0 ).

Cargado del punto “A” al punto “B” (hasta el limite elástico) εA < ε <= εB

se sigue cargando constantemente y el material va deformándose, pero el esfuerzo ya no es proporcional a la deformación, esto ocurre desde el punto “A” hasta el punto “B” la trayectoria ya no es lineal pero sigue en el rango elástico, ver figura:grafico

Zona plásticaRegion de fluencia, cargado del punto “B” al punto “C”.

εB < ε <= εC

Una vez desprendido del punto “B” el material presenta un incremento significativo de deformación con poco o ningún aumento de carga, la trayectoria descrita por el monitor es de forma zig-zag (ver figura anterior), este es el tramo de fluencia, en el cual se ve un punto de fluencia superior y un punto de fluencia inferior, en este rango se toma el promedio y se lo idealiza como línea recta a lo cal corresponde esfuerzo de fluencia “σy”

Esto significa que si se descarga en cualquier punto del rango de fluencia, el material no retorna a su estado original, quedando asi una elongación.

Región de endurecimiento por deformación (cargado del punto “C” al punto “D”).-

εc < ε <= εD

En esta región reiniciamos el cargado con la carga de tracción, y el monitor describe una pendiente brusca hasta alcanzar el punto “D” el cual es la resistencia máxima o esfuerzo ultimo “σ U” (ver figura anterior).

Región de esfuerzo post-ultimo o extriccion ( cargado del punto “D” al punto “E”).- εD < ε <= εE

Desprendido del punto ”D” se necesitara cargas menores para continuar deformando y este rango denominado post-ultimo (ver figura anterior), se presenta el fenómeno de la extriccion que es un estrechamiento en la sección transversal como se puede observar a continuación.

Una vez llegado al punto “E” el material se rompe.