Comportamiento Esfuerzo-Deformación de Materiales Dúctiles y Frágiles

3 Comportamiento esfuerzo-Deformación de materiales dúctiles y frágiles Los diagramas esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los materiale materiales s varían en forma considerable, por lo que diferentes ensayos de tensión llevados a cabo sobr so bre e el mi mism smo o mat ater eria iall pu pued eden en ar arrroj ojar ar di dife ferren ente tes s res esul ulta tado dos, s, depe de pend ndie iend ndo o de la te temp mper erat atur ura a de la pr prob obet eta a y de la ve velo loci cida dad d de apli ap lica caci ción ón de la car carga ga.. Si Sin n em emba barg rgo, o, es po posi sibl ble e di dist stin ingu guir ir al algu guna nas s caracter cara cterístic ísticas as com comunes unes entr entre e los diag diagram ramas as esfue esfuerzo-d rzo-defor eformaci mación ón de distintos grupos de materiales, y dividir los materiales en dos amplias catego cat egoría rías s co con n ba base se en est estas as car caract acter eríst ístic icas. as. Hab Habr r así mat materi eriale ales s d!ctiles y materiales frgiles.

Los materiales d!ctiles, como el acero estructural, así como muc"as aleaciones de otros metales, se caracterizan por su capacidad de #uir a tempera- turas turas normales. $l someterse la prob probeta eta a una carga que aumenta, su longitud se incrementa primero linealmente con la carga y a una tasa muy lenta. $sí, la porción inicial del diagrama esfuerzodeformación es una línea recta con una pendiente pronunciada %figura &.'(. &.' (. )o ob obsta stante nte,, de despu spu*s *s de alc alcanz anzar ar un val valor or crí crític tico o s + del esfuerzo, la probe probeta ta eperime eperimenta nta una gran deformación deformación con un incr in crem emen ento to rel elat atiiva vame ment nte e pe pequ que eo o de la ca carg rga a ap apli lica cada da.. s sta ta deformación es causada por el deslizamiento del material a lo largo de superficies oblicuas y se debe sobre todo a esfuerzos cortantes. /omo pued pu ede e no nota tars rse e en lo los s di diag agra rama mas s esf sfue uerz rzoo-de defo forrma maci ción ón de do dos s mater ma teria iales les d! d!cti ctiles les típ típico icos s %fig %figur ura a &.' &.'(, (, la elo elong ngaci ación ón de la pr prob obeta eta despu*s de que "a comenzado a #uir puede ser &00 veces ms grande que su deformación anterior a la #uencia. 1espu*s de "aber alcanzado un cie cierto rto va valor lor m mi imo mo de car carga ga,, el di dimet metro ro de un una a po porc rción ión del esp*cimen comienza a disminuir, debido a la inestabilidad local %figura &.20a(. ste fenómeno se conoce como estricción. 1espu 1es pu*s *s de qu que e co comie mienz nza a la est estric ricció ción, n, son sufi suficie cient ntes es car carga gas s alg algo o menores para lograr que la probeta se alargue a!n ms, "asta que final fin almen mente te se fra fractu cture re %fi- gu gura ra &.2 &.20b 0b(. (. 3u 3uede ede ver verse se qu que e la fra fractu ctura ra

ocurre a lo largo de una superficie con forma de cono que forma un ngulo de, aproimadamente, 456 con la superficie original de la probeta. sto indica que el cortante es el principal responsable de la falla de los materiales d!ctiles, y confirma el "ec"o de que, bajo una carga aial, los esfuerzos cortantes son mimos en las superficies que forman un ngulo de 456 con la carga %v*ase sección 2.22(.

l esfuerzo s + en el que comienza la #uencia se llama la resistencia o punto de #uencia o cedencia del material, el esfuerzo s7 que corresponde a la mima carga aplicada al material se conoce como la resistencia !ltima y el esfuerzo s8 correspondiente a la fractura se denomina resistencia a la fractura. Los materiales frgiles como el "ierro colado, el vidrio y la piedra se caracterizan por el fenómeno de que la fractura ocurre sin un cambio notable previo de la tasa de alargamiento %figura &.22(. $sí, para los materiales frgiles, no "ay diferencia entre la resistencia !ltima y la

resistencia a la fractura. $dems, la deformación unitaria al momento de la fractura es muc"o menor para los materiales frgiles que para los materiales d!ctiles. n la 9gura &.2& se observa que no "ay estricción alguna en el esp*cimen en el caso de un material frgil, y que la fractura ocurre a lo largo de una superficie perpendicular a la carga. Se concluye, a partir de esta observación, que los esfuerzos normales son los principales responsables de la falla de los materiales frgiles. Los diagramas esfuerzo-deformación de la figura &.' muestran que el acero estructural y el aluminio tienen distintas características de cedencia aunque ambos son d!ctiles. n el caso del acero estructural %figura &.'a(, el esfuerzo permanece constante a lo largo de un gran rango de valores de deformación despu*s de la aparición de la #uencia. 3osteriormente debe incrementarse el esfuerzo para seguir alargando la probeta, "asta que se alcance el valor mimo s7. sto se debe a la propiedad del material conocida como endurecimiento por deformación. La resistencia a la cedencia del acero estructural puede determinarse durante el ensayo de tensión vigilando la carga que se muestra en el indicador de la mquina de ensayo. 1espu*s de aumentar en forma estable, se observa que la carga decae en forma s!bita a un valor ligeramente menor, que se mantiene por un cierto periodo mientras que la probeta contin!a alargndose. n un ensayo realizado con cuidado, puede distinguirse entre el punto superior de cedencia, que corresponde a la carga alcanzada justo antes de que comience la #uencia, y el punto inferior de cedencia, que corresponde a la carga requerida para mantener la #uencia. 1ebido a que el punto superior de cedencia es transitorio, debe emplearse el punto inferior de cedencia para determinar la resistencia a la cedencia del material.

Los diagramas esfuerzo-deformación de la figura &.' muestran que el acero estructural y el aluminio tienen distintas características de cedencia aunque ambos son d!ctiles. n el caso del acero estructural %figura &.'a(, el esfuerzo permanece constante a lo largo de un gran rango de valores de deformación despu*s de la aparición de la #uencia. 3osteriormente debe incrementarse el esfuerzo para seguir alargando la probeta, "asta que se alcance el valor mimo s7. sto se debe a la propiedad del material conocida como endurecimiento por deformación. La resistencia a la cedencia del acero estructural puede determinarse durante el ensayo de tensión vigilando la carga que se muestra en el indicador de la mquina de ensayo. 1espu*s de aumentar en forma estable, se observa que la carga decae en forma s!bita a un valor ligeramente menor, que se mantiene por un cierto periodo mientras que la probeta contin!a alargndose. n un ensayo realizado con cuidado, puede distinguirse entre el punto superior de cedencia, que corresponde a la carga alcanzada justo antes de que comience la #uencia, y el punto inferior de cedencia, que corresponde a la carga requerida para mantener la #uencia. 1ebido a que el punto superior de cedencia es transitorio, debe emplearse el punto inferior de cedencia para determinar la resistencia a la cedencia del material. n el caso del aluminio %9gura &.'b( y de muc"os otros materiales d!ctiles, el inicio de cedencia no se caracteriza por una porción "orizontal de la curva de esfuerzo-deformación. n estos casos, el esfuerzo contin!a aumentando, aunque no linealmente, "asta alcanzar la resistencia !ltima. /omienza entonces, la estricción, que conduce inevitablemente

a la ruptura. 3ara tales materiales, la resistencia a la cedencia s+ se de9ne por el m*todo de desviación. La resistencia a la cedencia con una desviación del 0.&:, por ejemplo, se obtiene dibujando por el punto del eje "orizontal de abcisa e;0.&: %o e;0.00&(, una línea paralela a la porción inicial en línea recta del diagrama de esfuerzo-deformación %9gura &.2<(. l esfuerzo s+ obtenido de esta manera corresponde al punto + y se de9ne como la resistencia a la cedencia a una desviación del 0.&:.

7na medida estndar de la ductilidad de un material es su porcentaje de alargamiento, que se de9ne como

donde L0 y L8 denotan, respectivamente, la longitud inicial de la probeta para ensayo de tensión y su longitud final a la ruptura. l alargamiento mínimo especificado para una longitud calibrada de & in. para los aceros ms usados con resistencias de #uencia de "asta 50 =si es de &2:. Se nota que esto significa que la deformación a la fractura debería ser de, por lo menos, 0.&2 in.>in. ?tra medida de la ductilidad que en ocasiones se emplea es el porcentaje de reducción de rea, definido como

donde $0 y $8 denotan, respectivamente, el rea inicial de la sección transversal de la probeta y su mínima rea de sección transversal a la fractura. 3ara el acero estructural, es com!n encontrar porcentajes de reducción de rea del @0 al A0:. Hasta a"ora, se "an analizado sólo ensayos o pruebas de tensión. Si una probeta de material d!ctil se cargara a compresión en lugar de tensión, la curva de esfuerzo-deformación que se obtendría sería esencialmente la misma a lo largo de su porción inicial en línea recta y del comienzo de la porción correspondiente a la cedencia y al endurecimiento por deformación. 1e relevancia particular es el "ec"o de que, para un acero dado, la resistencia a la #uencia es la misma tanto a tensión como a compresión. 3ara valores mayo- res de deformación, las curvas de esfuerzo-deformación a tensión y a compresión divergen, y deber advertirse que no puede ocurrir estricción a compresión. 3ara la mayoría de los materiales d!ctiles, se encuentra que la resistencia !ltima a compresión es muc"o mayor que la resistencia !ltima a la tensión. sto se debe a la presencia de fallas %por ejemplo, cavidades o grietas microscópicas( que tienden a debilitar al material a tensión, mientras que no afectan en forma significativa su resistencia a la compresión.

7n ejemplo de material frgil con diferentes propiedades a tensión y a compresión es el concreto, cuyo diagrama esfuerzo-deformación se muestra en la 9gura &.24. n el lado de tensión del diagrama, primero se observa un rango elstico lineal en el que la deformación es proporcional al esfuerzo. 1espu*s de que se "a alcanzado el punto de cedencia, la deformación aumenta ms rpidamente que el esfuerzo "asta que ocurre la fractura. l comportamiento del material bajo compresión es diferente. 3rimero, el rango elstico lineal es signi9cativamente mayor. Segundo, la ruptura no ocurre cuando el esfuerzo alcanza su mimo valor. n lugar de esto, el esfuerzo decrece en magnitud mientras que la deformación plstica sigue aumentando "asta que la ruptura ocurre. $dvierta que el módulo de elasticidad, representado por la pendiente de la curva de esfuerzo-deformación en su porción lineal, es la misma en tensión que en compresión. sto es cierto para la mayoría de los materiales frgiles.