Fundamentos de la Resistencia y Deformación en Materiales Metálicos

I. Ensayos Mecánicos y Propiedades Elásticas

Ensayo de Tracción

Ensayo de Tracción: Consiste en aplicar una carga de tracción creciente a una probeta plana o cilíndrica hasta causar su rotura. Se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones.

Conceptos de Elasticidad

Ley de Hooke: Establece que, en la región elástica, las tensiones son proporcionales a las deformaciones.

Módulo de Elasticidad (E): Está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del metal o aleación.

Deformación Elástica (Enfoque Atómico): La deformación elástica macroscópica se manifiesta como pequeños cambios en el espaciado interatómico, donde los enlaces interatómicos son estirados.

Los valores de los módulos de elasticidad de los cerámicos en general son mayores que los de los metales; para los polímeros son menores.

La magnitud del Módulo de Elasticidad es proporcional a la pendiente de la curva de fuerza interatómica en la separación de equilibrio ($r_0$).

Límite Elástico: Es el nivel de tensión al que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa.

Coeficiente de Poisson ($ u$): Es el cociente entre las deformaciones laterales y axiales.

II. Propiedades de Deformación Plástica y Absorción de Energía

Deformación Plástica

Ductilidad: Es el porcentaje de alargamiento de un material. Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura.

Deformación Plástica (Enfoque Atómico): Corresponde a la rotura de los enlaces entre los átomos vecinos más próximos y la reformación de estos con nuevos vecinos.

Estricción (Necking): Deformación localizada que se da en el ensayo de tracción, cuyo objetivo es concentrar la falla.

Fractura Copa y Cono: Típica de materiales dúctiles. Se forma un estrechamiento (encuellamiento) donde se aplica el esfuerzo de estricción.

Energía y Resistencia

Resiliencia: Es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado y de ceder esta energía cuando se deja de aplicar. Los materiales resilientes suelen tener un límite elástico muy alto y un módulo de elasticidad relativamente bajo.

Tenacidad: Es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura.

III. Dureza y Métodos de Ensayo

Conceptos de Dureza

Deformación Plástica (Enfoque Atómico en Dureza): A escala atómica, la deformación plástica se debe al movimiento neto de un gran número de átomos en respuesta a una tensión aplicada.

Dureza: Es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente (plástica).

Tipos de Ensayos de Dureza

Dureza por Rebote (Elástica): Consiste en medir la altura de rebote de un pequeño martillo con una punta de diamante, después de caer por su propio peso.

Dureza al Rayado (Escala de Mohs): Consta de diez minerales estándar ordenados en forma de dureza creciente del 1 al 10.

Dureza a la Penetración: Mide la resistencia a la penetración o indentación de los materiales.

Dureza Brinell: Consiste en comprimir sobre la superficie a ensayar una bola de acero de 10 mm de diámetro, con una carga de 3000 kg para materiales ferrosos y 500 kg para los no ferrosos. La carga se aplica durante 10 segundos en los primeros, y 30 segundos en los no ferrosos.

IV. Definiciones Fundamentales y Consideraciones

Importancia de las Propiedades

¿Por qué es necesario conocer las características de los materiales? Para asegurar que cualquier deformación no sea excesiva y que no se produzca fractura.

Definiciones Clave

• Propiedad: Algo propio de un material.
• Esfuerzo (Tensión): Fuerza externa aplicada que no refleja una propiedad intrínseca del material (es una respuesta a la carga).
• Resistencia: Propiedad de un material.
• Deformación: Cambio dimensional resultante de un esfuerzo externo aplicado a un material.

Comportamiento Elástico y Plástico

• Zona Elástica: Región donde los materiales recuperan su forma original cuando la carga aplicada es eliminada.
• Zona Plástica: Región donde el material experimenta deformaciones permanentes debido al aumento de la carga y el esfuerzo.
• Deformación Elástica: Nota: El Coeficiente de Poisson se define como el cociente entre las deformaciones laterales y axiales.
• Deformación Plástica: Corresponde a la rotura de los enlaces entre los átomos vecinos y la reformación de estos con nuevos vecinos. Al eliminar la tensión, los átomos no vuelven a su posición original.

Consideraciones Operacionales

• Cuando el material se deforma, se debe considerar el cambio. No se debe modificar ni calentar (si se busca mantener las propiedades originales).
• Cuando se tiene un estímulo (carga), habrá una respuesta (deformación) al estímulo.
• Factor de Seguridad (FS): Se trabaja por debajo del esfuerzo de fluencia para evitar el colapso del material.
• Templabilidad: Función dependiente de los materiales aliantes.

Si se supera el límite de fluencia, el elemento queda con una deformación permanente, también llamada deformación plástica permanente, ya que al quitar la carga aplicada no vuelve a su forma inicial.

Si se cumple que la deformación es proporcional a la tensión (en la región lineal), la deformación se llamará deformación elástica (Nota: El texto original indica "plástica", lo cual es conceptualmente incorrecto según la Ley de Hooke).

V. Métodos de Caracterización de Materiales

• Para caracterizar un material: Prueba de dureza, prueba de compresibilidad, prueba de composición.