Tipos de deformación
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Dependiendo del tipo de material, tamaño y geometría del objeto, y las fuerzas aplicadas, pueden resultar varios tipos de deformación. La imagen de la derecha muestra el diagrama de esfuerzo de ingeniería frente a deformación para un material dúctil típico como el acero. Pueden ocurrir diferentes modos de deformación bajo diferentes condiciones, como se puede representar usando un gráfico de deformación.
La deformación permanente es irreversible; la deformación permanece incluso después de la eliminación de las fuerzas aplicadas, mientras que la deformación temporal es recuperable, ya que desaparece después de la eliminación de las fuerzas aplicadas.
La deformación temporal también se denomina deformación elástica, mientras que la deformación permanente se denomina deformación plástica.[2].
Deformación elástica
En ingeniería civil, el estudio de la deformación temporal o elástica se aplica a materiales utilizados en la construcción, como el hormigón o el acero, que están sometidos a deformaciones muy pequeñas. El fenómeno se puede modelizar mediante la teoría de deformaciones infinitesimales, también conocida como teoría de pequeñas deformaciones, teoría de pequeños desplazamientos o teoría de pequeños gradientes de desplazamiento donde se asume que las deformaciones y las rotaciones producidas por las tensiones son pequeñas.
Para algunos materiales, como por ejemplo elastómeros y polímeros, sujetos a grandes deformaciones, la definición de ingenieril de deformación no es aplicable (normalmente se restringe a deformaciones inferiores al 1%),[4] por lo que estos materiales requieren otras definiciones más complejas de deformación, como "estiramiento", "deformación logarítmica", "deformación de Green" o "deformación de Almansi". Los elastómeros y los metales con memoria "Efecto térmico de memoria (metales)") como el nitinol, exhiben grandes rangos de deformación elástica, al igual que el caucho. Sin embargo, la elasticidad no es lineal en estos materiales.
Los metales usuales en construcción como la cerámica, los metales, el hormigón y la mayoría de los cristales muestran una elasticidad lineal y un rango elástico más pequeño. Para esos materiales es común asumir que la deformación elástica es lineal y se rige por ley de Hooke:.
donde es la tensión aplicada, es una constante material llamada módulo de Young o módulo elástico, y ε es la elongación resultante. Esta relación solo se aplica en el rango elástico e indica que la pendiente de la curva de tensión/deformación puede usarse para determinar el módulo de Young () de un material. Los laboratorios de materiales se valen de este cálculo a partir de los datos obtenidos en ensayos de tracción.
Se debe tener en cuenta que no todos los materiales elásticos experimentan una deformación elástica lineal; algunos, como el hormigón, la fundición gris y muchos polímeros, responden de forma no lineal. Para estos materiales, la ley de Hooke no es aplicable.[5].
Tensión y deformación verdaderas
Dado que, en la práctica, no siempre se conoce con precisión el cambio de la sección transversal de la muestra de material a medida que se estira durante el proceso de deformación anterior, la verdadera curva de tensión y deformación debe volver a ajustarse. Para pequeñas deformaciones no existe demasiada diferencia entre cualesquiera dos medidas de tensión o deformación. En ensayos uniaxiales es común medir las llamadas tensión y deformaciones ingenieriles y calcular a posterior otras medidas corregidas según el área o las longitudes instantáneas del prisma estirado que se denominan tensión y deformación verdaderas (para el régimen de grandes deformaciones se definen muchas otras medidas adicionales que van más allá de las anteriores).
Para derivar la curva de tensión-deformación, consideramos un prisma de sección inicial y altura y sección actual o final y altura . La deformación ingenieril se define como:.
Además, para un material elástico isótropo en régimen de pequeñas deformaciones que el cambio de volumen viene dado por:.
Por lo que se tiene que , donde es el llamada coeficiente de Poisson que puede sufrir algunos cambios a lo largo del ensayo. .
Entonces, la tensión verdadera o tensión de Cauchy se puede expresar de la siguiente manera (usando series de Taylor hasta primer orden):.
Además, la deformación verdadera ε se puede expresar de la siguiente manera:.
Entonces, el valor se expresa como.
Por lo tanto, se puede deducir la gráfica en términos de y como aparece en la figura de la derecha.
Además, basándose en la curva de tensión-deformación verdaderas, se puede estimar la región donde comienza a producirse el estrechamiento. Desde que comienza a aparecer un estrechamiento visible de la sección, hasta que se llega a la tensión final (cuando se aplicó la fuerza máxima), se puede expresar esta situación de la siguiente manera:.
que a su vez se puede expresar de la siguiente manera:.
La gráfica muestra que el estrechamiento comienza a aparecer donde la reducción del área se vuelve mucho más significativa en comparación con el cambio de tensión. Luego, la tensión se maximiza en la zona específica donde aparece el estrechamiento.
Además, se pueden deducir varias relaciones basadas en la curva tensión-deformación verdaderas.
- La curva de deformación y tensión verdaderas se puede expresar mediante la relación lineal aproximada tomando un logaritmo de la tensión y la deformación verdaderas. La relación se puede expresar de la siguiente manera:.
donde es el coeficiente de tensión y es el coeficiente de endurecimiento por deformación. Por lo general, el valor de tiene un rango de 0,02 a 0,5 a temperatura ambiente. Si el valor de es 1, entonces se dice que el material es perfectamente elástico.[6][7].
Deformación plástica
Este tipo de deformación no se revierte simplemente eliminando la fuerza aplicada, se trata por tanto de un proceso termodinámicamente irreversible. Sin embargo, un objeto en el rango de deformación plástica primero habrá sufrido una deformación elástica (que sí desaparece al eliminar la fuerza aplicada), por lo que el objeto regresará parcialmente a su forma original. Los termoplásticos ligeros tienen un rango de deformación plástica bastante grande, al igual que los metales dúctiles como el cobre, la plata y el oro. EL acero también presenta este comportamiento, pero no así la fundición de hierro. Los plásticos termoendurecibles duros, el caucho, los cristales y las cerámicas tienen rangos mínimos de deformación plástica. Un ejemplo de un material con un amplio rango de deformación plástica es la goma de mascar una vez humedecida, que se puede estirar a decenas de veces su longitud original.
Bajo tensión de tracción, la deformación plástica se caracteriza por la aparición de una región de endurecimiento por deformación y de una región de estricción&action=edit&redlink=1 "Estricción (ingeniería) (aún no redactado)") y finalmente, por un estado de fractura (también llamado de rotura). Durante el endurecimiento por deformación, el material se vuelve más resistente debido a la formación de dislocaciones atómicas "Dislocación (defecto cristalino)"). La fase de formación de un cuello de estricción se caracteriza por una reducción del área de la sección transversal de la muestra. El fenómeno se produce después de que se alcanza la tensión máxima. Durante el estrechamiento, el material ya no puede soportar la tensión máxima, y las tensiones localizadas en la muestra aumentan rápidamente. La deformación plástica termina con la fractura del material.
Otro mecanismo de deformación es la fatiga de materiales, que se produce principalmente en metales dúctiles. Inicialmente se pensaba que un material deformado exclusivamente dentro del rango elástico regresaba completamente a su estado original una vez que se eliminaban las fuerzas aplicadas. Sin embargo, se producen fallos a nivel molecular con cada deformación. Después de muchos ciclos de carga y descarga, comenzarán a aparecer grietas, seguidas poco después de una fractura, sin deformación plástica aparente de por medio. Dependiendo del material, la forma y qué tan cerca del límite elástico se deforme, para que se produzca el fallo del material pueden requerirse miles, millones, miles de millones o billones de deformaciones.
La fatiga del metal ha sido una de las principales causas de fallos en las aeronaves, especialmente antes de que se comprendiera bien el proceso (véase, por ejemplo, los accidentes del De Havilland Comet). Hay dos formas de determinar cuándo una pieza está en peligro de sufrir problemas por fatiga: predecir cuándo ocurrirá el fallo en función de la combinación de material/fuerza/forma/iteraciones, y reemplazar los materiales vulnerables antes de que esto ocurra, o realizar inspecciones para detectar al microscopio las primeras grietas, reemplazando las piezas afectadas una vez que aparezcan. La selección de materiales que probablemente no sufrirán fatiga del metal durante la vida útil del producto es la mejor solución, pero no siempre es posible. Evitar formas con esquinas afiladas limita la fatiga del metal al reducir las concentraciones de tensión, pero no la elimina.
Fractura
Este tipo de deformación también es irreversible. Se produce una rotura después de que el material ha alcanzado el final de los rangos de deformación elástica y luego plástica. En este punto, las fuerzas se acumulan hasta que son suficientes para provocar una fractura. Todos los materiales se fracturarán finalmente si se aplican fuerzas suficientes.