PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Las propiedades mecánicas de los materiales frecuentemente se determinan a través de ensayos destructivos de la muestra bajo condiciones controladas de carga, sin embargo, no hay garantía de que un elemento se comporte tal y como sucedió con la muestra de laboratorio. La American Society for testing and Materials (ASTM) define las normas para probetas de prueba y procedimientos de ensayo para una diversidad de propiedades de los materiales.
ENSAYO A TENSIÓN
La prueba de materiales de uso más común es el ensayo a la tensión. En la siguiente figura se aprecia una probeta típica para ensayo a tensión.
Donde do es el diámetro estándar y lo es la longitud calibrada.La barra es estirada lentamente a tensión hasta que se rompe, mientras tanto se registra continuamente la carga y la distancia de la longitud calibrada, el resultado es la gráfica de esfuerzo deformación del comportamiento del material dicha grafica se puede apreciar en la siguiente figura:
ESFUERZO DEFORMACIÓN
El esfuerzo (σ) se define como la carga por unidad de área (carga unitaria) y se calcula con:
Donde "P" es la carga aplicada en cualquier instante y "Ao" es el área de sección recta original de la probeta. Se supone que el esfuerzo queda distribuido de manera uniforme en toda la sección transversal. Las unidades del esfuerzo son psi o Pa.
La deformación es el cambio de longitud por unidad de longitud y se calcula a partir de:
Donde "l " es la longitud calibrada original y "l0 " es la longitud de la pieza a cualquier carga P . La deformación no tiene unidades, pues se trata de una longitud dividida por otra longitud.
MODULO DE ELASTICIDAD
En la gráfica de la curva esfuerzo deformación se pueden apreciar parámetros útiles del material; el punto "pl "de dicha gráfica (figura 2.7) es el límite de proporcionalidad, por debajo del cual el esfuerzo es proporcional a la deformación, según ley de Hooke:
Donde "E" define la pendiente de la curva esfuerzo deformación hasta su límite de proporcionalidad, y se conoce como módulo de Young o módulo de elasticidad del material. es una medida de rigidez del material en su rango elástico y tiene unidades de esfuerzo. Para la mayor parte de los materiales dúctiles el módulo de elasticidad a la tensión es igual que el correspondiente a compresión excepto hierros fundidos y otros materiales frágiles o el caso del magnesio.
LIMITE ELÁSTICO
Es el punto definido como "el " de la figura 2.7 a), o sea el punto más allá del cual el material sufrirá una deformación permanente, es decir, una deformación plástica, éste marca la frontera entre las regiones del comportamiento elástico y el comportamiento plástico del material. Estos puntos por lo general se encuentran tan cerca el uno del otro que con frecuencia se consideran como uno mismo.
ESFUERZO A LA FLUENCIA
Es un punto ligeramente arriba del límite elástico, el material empieza a ceder más fácilmente al esfuerzo aplicado, con lo que aumenta su razón de deformación (se observa menor pendiente). Esto se conoce como punto de fluencia o cedencia y el valor del esfuerzo en dicho punto define el límite de cedencia o fluencia "Sy" del material. El punto de fluencia de un material que no exhiba un punto de fluencia claro debe definirse mediante una línea convencional que se dibuja paralela a la curva elástica, con un desplazamiento de un pequeño porcentaje a lo largo del eje de las deformaciones, comúnmente se utiliza un desplazamiento de .2% en las deformaciones. El punto de fluencia es entonces la intersección de la curva esfuerzo-deformación y la línea convencional, según figura 2.7 b.
Cuando en el ensayo el esfuerzo de la probeta continúa aumentando de manera no lineal hacia un pico o a una resistencia máxima a la tracción cuyo valor es "Sut" en el punto "u". Esto se considera como el esfuerzo más alto a la tensión que puede resistir el material antes de romperse, sin embargo, para el caso de materiales dúctiles el esfuerzo parece que se reduce a un valor más pequeño en el punto de fractura " f. " Dado que el esfuerzo se calcula mediante el área original "A0", ecuación:
Se subestima el valor real del esfuerzo después del punto "u", pues mientras la probeta se deforma, la sección transversal de la misma se reduce como se ve en la siguiente figura:
dado que es difícil vigilar de manera precisa durante la prueba el cambio dinámico del área transversal se aceptan estos errores, cuando se atiende al área no corregida esta se conoce como curva esfuerzo-deformación de ingeniería, que son los que comúnmente se aplican en la práctica, según se aprecia en la figura 2.7
DUCTILIDAD Y FRAGILIDAD
La tendencia de un material a deformarse de manera significativa antes de fracturarse es una medida de su ductilidad. La ausencia de una deformación significativa antes de la fractura se conoce como fragilidad. La ductilidad de un material se mide en función de su porcentaje de elongación a la fractura, o en función de la reducción porcentual de su área en la fractura. Los materiales que tengan una elongación superior al 5% a la fractura se consideran dúctiles
La siguiente figura muestra una curva esfuerzo deformación de material frágil, se observa la falta del punto de fluencia claramente definido así como la falta del rango plástico antes de la fractura:
Probeta de material frágil después de falla, en la suguiente figura:
COMPRESIÓN
Los materiales dúctiles no se fracturan en ensayos a compresión, la mayor parte de los materiales dúctiles tienen una resistencia a la compresión similar a su resistencia a la tensión y la curva esfuerzo deformación a la tensión es la que se usa para representar su comportamiento a la compresión, cuando un material tiene resistencias esencialmente iguales tanto a la tensión como a la compresión se conoce como material uniforme. Los materiales frágiles se fracturan a la compresión, los materiales frágiles generalmente tienen mucha más elevada resistencia a la compresión que a la tensión, dado que la sección transversal de esos materiales no sufre deformación apreciable es posible realizar la gráfica esfuerzo deformación. Un material con resistencias diferentes a la tensión y a la compresión se conoce como material no uniforme.
ENSAYO A LA FLEXIÓN
En este ensayo una varilla es soportada de cada extremo como viga y cargada transversalmente en el centro de su longitud, hasta que falla. Si el material es dúctil, la falla ocurrirá cediendo como en la siguiente figura:
Si el material es frágil la viga se fracturará como se muestra en la siguiente figura:
La curva esfuerzo deformación del ensayo a tensión se emplea para prever la falla a la flexión, ya que los esfuerzos a la flexión son de tensión en el lado convexo y compresión en el lado cóncavo de la viga.
ENSAYO A TORSIÓN
Se toma una probeta parecida a la del ensayo a tensión, pero sus extremos son de forma tal que puedan ser sujetados y torcidos axialmente hasta fallar ver la siguiente figura, a) material dúctil, b) material frágil.
