Comportamiento Elastico y Plastico de Los Materiales

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    14-Oct-2015

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COMPORTAMIENTO ELASTICO Y PLASTICO DE LOS MATERIALESLIMITE ELASTICOEl lmite elstico, tambin denominado lmite de elasticidad, es la tensin mxima que un material elstico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este lmite, el material experimenta deformaciones permanentes y no recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su lmite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke.

Los materiales sometidos a tensiones superiores a su lmite de elasticidad tienen un comportamiento plstico. Si las tensiones ejercidas continan aumentando el material alcanza su punto de fractura. El lmite elstico marca, por tanto, el paso del campo elstico a la zona de fluencia. Ms formalmente, esto comporta que en una situacin de tensin un axial, el lmite elstico es la tensin admisible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia del material.

Mtodo del 0.2% para calcular el esfuerzo de fluencia

Si se disponen las tensiones en funcin de las deformaciones en un grfico se observa que, en un principio y para la mayora de los materiales aparece una zona que sigue una distribucin casi lineal, donde la pendiente es el mdulo de elasticidad (E). Esta zona se corresponde a las deformaciones elsticas del material hasta un punto donde la funcin cambia de rgimen y empieza a curvarse, zona que se corresponde al inicio del rgimen plstico. Ese punto es el punto de lmite elstico.

Debido a la dificultad para localizarlo exactamente y con total fidelidad, ya que en los grficos experimentales la recta es difcil de determinar y existe una banda donde podra situarse el lmite elstico, en ingeniera se adopta un criterio convencional y se considera como lmite elstico la tensin a la cual el material tiene una deformacin plstica del 0.2% (o tambin = 0.002 mm/mm).

LA PLASTICIDAD

Es la propiedad mecnica de un material, biolgico o de otro tipo, de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elstico, es decir, por encima de su lmite elstico.

En los metales, la plasticidad se explica en trminos de desplazamientos irreversibles de dislocaciones. En los materiales elsticos, en particular en muchos metales dctiles, un esfuerzo de traccin pequeo lleva aparejado un comportamiento elstico. Eso significa que pequeos incrementos en la tensin comporta pequeos incrementos en la deformacin, si la carga se vuelve cero de nuevo el cuerpo recupera exactamente su forma original, es decir, se tiene una deformacin completamente reversible. Sin embargo, se ha comprobado experimentalmente que existe un lmite, llamado lmite elstico, tal que si cierta funcin homognea de las tensiones supera dicho lmite entonces al desaparecer la carga quedan deformaciones remanentes y el cuerpo no vuelve exactamente a su forma. Es decir, aparecen deformaciones no-reversibles.

Este tipo de comportamiento elasto-plstico descrito ms arriba es el que se encuentra en la mayora de metales conocidos, y tambin en muchos otros materiales. El comportamiento perfectamente plstico es algo menos frecuente, e implica la aparicin de deformaciones irreversibles por pequea que sea la tensin, la arcilla de modelar y la plastilina se aproximan mucho a un comportamiento perfectamente plstico. Otros materiales adems presentan plasticidad con endurecimiento y necesitan esfuerzos progresivamente ms grandes para aumentar su deformacin plstica total.

Representacin de las zonas elsticas y plsticas.

La irreversibilidad de los materiales est relacionada con cambios permanentes en la estructura y grano del material. A diferencia del comportamiento elstico que es termodinmicamente reversible, un cuerpo que se deforma plsticamente experimenta cambios de entropa, como desplazamientos de las dislocaciones. En el comportamiento plstico parte de la energa mecnica se disipa internamente, en lugar de transformarse en energa potencial elstica.

Microscpicamente, en la escala de la red cristalina de los metales, la plasticidad es una consecuencia de la existencia de ciertas imperfecciones en la red llamadas dislocaciones. En 1934, Egon Orowan, Michael Polanyi y Geoffrey Ingram Taylor, ms o menos simultneamente llegaron a la conclusin de que la deformacin plstica de materiales dctiles poda ser explicada en trminos de la teora de dislocaciones. Para describir la plasticidad usualmente se usa un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales y no integrables que describen los cambios en las componentes del tensor deformacin y el tensor tensin con respecto al estado de deformacin-tensin previo y el incremento de deformacin en cada instante.

EXPLICACION DE LAS ZONAS ELASTICAS Y PLASTICAS A TRAVES DEL ENSAYO DE TENSION

El ensayo de traccin de un material consiste en someter a una probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de traccin creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza esttica o aplicada lentamente. Las velocidades de deformacin en una ensayo de tensin suelen ser muy pequeas alrededor de 25mm/min.

En un ensayo de traccin pueden determinarse diversas caractersticas de los materiales elsticos:

Mdulo de elasticidad o Mdulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior.

Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razn entre el alargamiento longitudinal y la acortamiento de las longitudes transversales a la direccin de la fuerza.

Lmite de proporcionalidad valor de la tensin por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.

Lmite de fluencia o lmite elstico aparente: valor de la tensin que soporta la probeta en el momento de producirse el fenmeno de la cedencia o fluencia. Este fenmeno tiene lugar en la zona de transicin entre las deformaciones elsticas y plsticas y se caracteriza por un rpido incremento de la deformacin sin aumento apreciable de la carga aplicada.

Lmite elstico (lmite elstico convencional o prctico): valor de la tensin a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en funcin del extensmetro empleado.Carga de rotura o resistencia a la traccin: carga mxima resistida por la probeta dividida por la seccin inicial de la probeta.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posicin est normalizada y se expresa en tanto por ciento.Estriccin: es la reduccin de la seccin que se produce en la zona de la rotura.

Normalmente, el lmite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de inters para los clculos. Tampoco se calcula el Mdulo de Young, ya que ste es caracterstico del material; as, todos los aceros tienen el mismo mdulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.

En el ensayo se mide la deformacin (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa grficamente en funcin de la tensin (carga aplicada dividida por la seccin de la probeta). En general, la curva tensin-deformacin as obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

Zona elstica: en esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequea magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recupera su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensin y la deformacin se denomina mdulo de elasticidad o de Young y es caracterstico del material. As, todos los aceros tienen el mismo mdulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La tensin ms elevada que se alcanza en esta regin se denomina lmite de fluencia y es el que marca la aparicin de este fenmeno. Pueden existir dos zonas de deformacin elstica, la primera recta y la segunda curva, siendo el lmite de proporcionalidad el valor de la tensin que marca la transicin entre ambas. Generalmente, este ltimo valor carece de inters prctico y se define entonces un lmite elstico (convencional o prctico) como aqul para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformacin inicial igual a la convencional.

Fluencia o cedencia. Es la deformacin brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenmeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleacin bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plsticamente. Alcanzado el lmite de fluencia se logra liberar las dislocaciones producindose la deformacin bruscamente. La deformacin en este caso tambin se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrndose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenmeno, en cuyo caso la transicin entre la deformacin elstica y plstica del material no se aprecia de forma clara.

Deformaciones plsticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera slo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta regin son ms acusadas que en la zona elstica.

Estriccin. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta aprecindose una acusada reduccin de la seccin de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarn acumulndose hasta la rotura de la probeta por ese zona.La estriccin es la responsable del descenso de la curva tensin-deformacin; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la seccin inicial y cuando se produce la estriccin la seccin disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representacin grfica. Los materiales frgiles no sufren estriccin ni deformaciones plsticas significativas, rompindose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga ltima o resistencia a la traccin: la mxima resistida por la probeta dividida por su seccin inicial, el alargamiento en (%) y la estriccin en la zona de la rotura.

Diagrama de tensin - deformacin tpico de un acero de bajo lmite de fluencia.

Otras caractersticas encontradas en el ensayo de traccin son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, la energa elstica y total absorbida y que vienen representadas por el rea comprendida bajo la curva tensin-deformacin hasta el lmite elstico en el primer caso y hasta la rotura en el segundo.

Deformacin de los materiales

Las Deformaciones del Material pertenecen al grupo de las denominadas lesiones mecnicas. Son consecuencia de procesos mecnicos, a partir de fuerzas externas o internas que afectan a las caractersticas mecnicas de los elementos constructivos. En el caso de las deformaciones, son una primera reaccin del elemento a una fuerza externa, al tratar de adaptarse a ella.

La mecnica de los slidos deformables estudia el comportamiento de los cuerpos slidos deformables ante diferentes tipos de situaciones como la aplicacin de cargas o efectos trmicos. Estos comportamientos, ms complejos que el de los slidos rgidos, se estudian en mecnica de slidos deformables introduciendo los conceptos de deformacin y de tensin mediante sus aplicaciones de deformacin.Una aplicacin tpica de la mecnica de slidos deformables es determinar a partir de una cierta geometra original de slido y unas fuerzas aplicadas sobre el mismo, si el cuerpo cumple ciertos requisitos de resistencia y rigidez. Para resolver ese problema, en general es necesario determinar el campo de tensiones y el campo de deformaciones del slido.

Se tiene la siguiente clasificacin para el comportamiento de la deformacin de materiales:

Comportamiento elstico, se da cuando un slido se deforma adquiriendo mayor energa potencial elstica y, por tanto, aumentando su energa interna sin que se produzcan transformaciones termodinmicas irreversibles. La caracterstica ms importante del comportamiento elstico es que es reversible: si se suprimen las fuerzas que provocan la deformacin el slido vuelve al estado inicial de antes de aplicacin de las cargas. Dentro del comportamiento elstico hay varios subtipos:

Elstico lineal istropo, como el de la mayora de metales no deformados en fro bajo pequeas deformaciones.

Elstico lineal no-istropo, la madera es material ortotrpico que es un caso particular de no-isotropa.

Elstico no-lineal, ejemplos de estos materiales elsticos no lineales son la goma, el caucho y el hule, tambin el hormign o concreto para esfuerzos de compresin pequeos se comporta de manera no-lineal y aproximadamente elstica.

Comportamiento plstico: aqu existe irreversibilidad; aunque se retiren las fuerzas bajo las cuales se produjeron deformaciones elsticas, el slido no vuelve exactamente al estado termodinmico y de deformacin que tena antes de la aplicacin de las mismas. A su vez los subtipos son:

Plstico puro, cuando el material "fluye" libremente a partir de un cierto valor de tensin.

Plstico con endurecimiento, cuando para que el material acumule deformacin plstica es necesario ir aumentando la tensin.

Plstico con ablandamiento.

Comportamiento viscoso: que se produce cuando la velocidad de deformacin entra en la ecuacin constitutiva, tpicamente para deformar con mayor velocidad de deformacin es necesario aplicar ms tensin que para obtener la misma deformacin con menor velocidad de deformacin pero aplicada ms tiempo. Aqu se pueden distinguir los siguientes modelos:

Visco-elstico, en que las deformaciones elsticas son reversibles. Para velocidades de deformaciones arbitrariamente pequeas este modelo tiende a un modelo de comportamiento elstico.

Visco-plstico, que incluye tanto el desfasaje entre tensin y deformacin por efecto de la viscosidad como la posible aparicin de deformaciones plsticas irreversibles.

Resistencia de los materiales

La resistencia de materiales es el estudio de las propiedades de los cuerpos slidos que les permite resistir la accin de las fuerzas externas, el estudio de las fuerzas internas en los cuerpos y de las deformaciones ocasionadas por las fuerzas externas.

Se ocupa del estudio de los efectos causados por la accin de las cargas externas que actan sobre un sistema deformable. Propiedades mecnicas de los materiales: cuando una fuerza acta sobre un cuerpo, se presentan fuerzas resistentes en las fibras del cuerpo que llamaremos fuerzas internas. Fuerza interna es la resistencia interior de un cuerpo a una fuerza externa. Cuando usamos el trmino esfuerza, queremos decir la magnitud de la fuerza por unidad de rea.

Comportamiento de los materiales elsticos

El lmite elstico, es la tensin mxima que un material elstico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican te...