Comportamiento Mecánico de los Materiales
Zonas de Deformación en la Curva Esfuerzo-Deformación
La curva esfuerzo-deformación es fundamental para comprender el comportamiento mecánico de los materiales. Se distinguen principalmente dos zonas:
Zona Elástica (OE)
Esta zona se caracteriza porque, al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original. Se subdivide en:
- Zona Proporcional (O-P): En esta subzona, los esfuerzos unitarios (σ) son proporcionales a las deformaciones unitarias (ε). Esto significa que se verifica la Ley de Hooke: σ = Eε, donde E es el módulo de elasticidad o módulo de Young.
- Zona No Proporcional (P-E): En esta subzona, los desplazamientos dejan de ser proporcionales a los esfuerzos, es decir, σ ≠ Eε.
Zona Plástica (EU)
Esta zona se caracteriza porque, al cesar las tensiones aplicadas, los materiales no recuperan su longitud original, es decir, adquieren deformaciones permanentes. Esta zona se subdivide en:
- Zona Límite de Rotura (ER): En esta subzona, a incrementos positivos de σ corresponden incrementos positivos de ε.
- Zona de Rotura (RU): En esta subzona, a incrementos negativos de σ corresponden incrementos positivos de ε.
Puntos Característicos de la Curva Esfuerzo-Deformación
Los puntos clave en la curva esfuerzo-deformación son:
- P, Límite de Proporcionalidad: Hasta este punto es válida la Ley de Hooke.
- E, Límite de Elasticidad: A partir de este punto, los materiales se comportan plásticamente. Es un punto difícil de determinar, por lo que se acepta que es aquel cuya tensión corresponde a una deformación permanente del 0.2 %.
- R, Límite de Rotura: A partir de este punto, el material se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual.
- U, Punto de Fractura Visual: Es el punto en el que se produce la fractura visual del material.
Ensayos Mecánicos de Materiales
Ensayo de Tracción
El ensayo de tracción de un material consiste en someter un cilindro o una placa con dimensiones normalizadas de ese material a un estiramiento creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Con esto se obtienen gráficas como la del dibujo, donde se identifican las siguientes zonas:
- Zona Elástica Proporcional: Es la zona elástica del material hasta un esfuerzo denominado límite elástico (LE). En buena parte de la curva se mantiene la proporcionalidad, y a la pendiente de la curva se le llama módulo elástico o módulo de Young. La recta responde a la Ley de Hooke.
- Zona Elástica No Proporcional: Esta es también una zona elástica, aunque en ella no se cumple la proporcionalidad.
- Zona de Fluencia: En esta zona, el material cede sin aumentar el esfuerzo, que recibe el nombre de esfuerzo de fluencia (LF). Es el inicio de las deformaciones plásticas.
- Zona de Endurecimiento por Deformación: Cuando se sigue aumentando el esfuerzo de tracción, el material continúa alargándose de forma plástica.
- Zona de Estricción y Rotura: A partir de un cierto límite llamado esfuerzo de rotura (LR), el estiramiento es tan grande que se produce la estricción de la sección, es decir, el material adelgaza y acaba rompiéndose.
Es importante destacar que los diseños técnicos se realizan para que las piezas trabajen siempre en la zona elástica. Incluso se trabaja con un coeficiente de seguridad n, que limita un esfuerzo máximo de trabajo.
Ensayos de Dureza
La dureza es la resistencia de un material a ser penetrado. Existen varios métodos para medirla:
Dureza Vickers
El ensayo de Dureza Vickers, conocido como el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios. Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo de 136° en el vértice.
Dureza Rockwell
El ensayo de Dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. Constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy sencillo de llevar a cabo y no requiere conocimientos especializados.
Ensayo de Fatiga
El ensayo de fatiga permite determinar la resistencia que ofrece una pieza ante cargas cíclicas. La fatiga es la situación en la que se encuentran distintas piezas sometidas a cargas cíclicas cuya intensidad es inferior al valor crítico de rotura del material. Los ensayos de fatiga consisten en someter a una probeta a una serie de esfuerzos de forma repetida hasta producir la rotura. Los valores se tabulan y se construyen gráficas llamadas curvas de Wöhler, en las que se compara el número de ciclos con el valor del esfuerzo.
Ensayo de Resiliencia (Método Charpy)
Cuando un objeto recibe un impacto, absorbe la energía, llegando incluso a romperse. Esta propiedad es lo que se denomina tenacidad. El ensayo de resiliencia más ampliamente utilizado es el método Charpy, que consiste en medir la energía que pierde un péndulo cuando choca en su trayectoria contra una probeta del material que tiene sección cuadrada de 1 cm de lado con una ranura o entalla en el centro.
Propiedades Mecánicas Fundamentales de los Materiales
- Elasticidad: Propiedad de los materiales de recuperar su forma original cuando cesa la fuerza que los deformaba. Un material muy elástico, tras ser deformado por una fuerza, recupera su forma original al cesar dicha fuerza. Lo contrario a esta propiedad es la plasticidad.
- Plasticidad: Propiedad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes.
- Maleabilidad: Facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas.
- Ductilidad: Propiedad de un material para extenderse formando cables o hilos.
- Dureza: Resistencia que opone un material a ser rayado por otro. El material más duro es el diamante; los diamantes solo pueden ser rayados por otro diamante. Para medir la dureza de un material se utiliza la escala de Mohs, que va de 1 a 10, correspondiendo la dureza 10 al material más duro. Si quieres saber más sobre esto visita la siguiente página: Escala de Dureza Mohs.
- Tenacidad: Resistencia que ofrece un material a romperse cuando es sometido a impacto.
- Fragilidad: Es lo contrario a la tenacidad. Es la propiedad que tienen los cuerpos de romperse fácilmente cuando son sometidos a impacto. Por ejemplo, el metal es tenaz, mientras que el vidrio es frágil y duro.