Rendimiento (ingeniería)

En ciencia e ingeniería de materiales , el límite elástico es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el inicio del comportamiento plástico . Por debajo del límite elástico, un material se deforma elásticamente y recupera su forma original al cesar la tensión aplicada . Una vez superado el límite elástico, una parte de la deformación es permanente e irreversible, y se conoce como deformación plástica .

El límite elástico o límite de fluencia es una propiedad del material y es la tensión correspondiente al punto de fluencia en el que el material comienza a deformarse plásticamente. El límite elástico se usa a menudo para determinar la carga máxima admisible en un componente mecánico, ya que representa el límite superior de las fuerzas que se pueden aplicar sin producir deformación permanente. Para la mayoría de los metales, como el aluminio y el acero trabajado en frío , hay un inicio gradual del comportamiento no lineal y no hay un punto de fluencia preciso. En tal caso, el punto de fluencia de compensación (o límite de prueba ) se toma como la tensión en la que ocurre una deformación plástica del 0,2 %. La fluencia es un modo de falla gradual que normalmente no es catastrófico , a diferencia de la falla final .

En materiales dúctiles , el límite elástico suele ser distinto de la resistencia a la tracción máxima , que es la capacidad de carga de un material determinado. La relación entre el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima es un parámetro importante para aplicaciones como el acero para tuberías , y se ha observado que es proporcional al exponente de endurecimiento por deformación . ^{[ 1 ]}

En mecánica de sólidos , el punto de fluencia se puede especificar en términos de las tensiones principales tridimensionales (${\displaystyle \sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}}$) con una superficie de fluencia o un criterio de fluencia . Se han desarrollado diversos criterios de fluencia para diferentes materiales.

A menudo es difícil definir con precisión la fluencia debido a la amplia variedad de curvas de tensión-deformación que presentan los materiales reales. Además, existen varias formas posibles de definir la fluencia: ^{[ 10 ]}

Límite elástico verdadero

La tensión mínima a la que se producen las dislocaciones . Esta definición se usa raramente, ya que las dislocaciones se mueven a tensiones muy bajas y detectar dicho movimiento es muy difícil.

Límite de proporcionalidad

Hasta cierto nivel de tensión, la tensión es proporcional a la deformación ( ley de Hooke ), por lo que la gráfica tensión-deformación es una línea recta y la pendiente será igual al módulo elástico del material.

Límite elástico (límite elástico)

Más allá del límite elástico, se producirá una deformación permanente. Por lo tanto, el límite elástico es el punto de tensión más bajo en el que se puede medir la deformación permanente. Esto requiere un procedimiento manual de carga y descarga, y la precisión depende críticamente del equipo utilizado y de la habilidad del operador. Para los elastómeros , como el caucho, el límite elástico es mucho mayor que el límite de proporcionalidad. Además, mediciones precisas de la deformación han demostrado que la deformación plástica comienza a tensiones muy bajas. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Punto de fluencia

El punto en la curva tensión-deformación en el que la curva se estabiliza y comienza a producirse la deformación plástica. ^{[ 13 ]}

Punto de fluencia compensado (prueba de estrés )

Cuando no es fácil definir un punto de fluencia en función de la forma de la curva tensión-deformación, se define arbitrariamente un punto de fluencia desplazado . El valor para este se suele fijar en 0,1% o 0,2% de deformación plástica. ^{[ 14 ]} El valor desplazado se da como subíndice, por ejemplo,${\displaystyle R_{\text{p0.1}}=310}$MPa o${\displaystyle R_{\text{p0.2}}=350}$MPa. ^{[ 15 ]} Para la mayoría de los usos prácticos de ingeniería,${\displaystyle R_{\text{p0.2}}}$se multiplica por un factor de seguridad para obtener un valor menor del límite elástico de compensación. El acero de alta resistencia y las aleaciones de aluminio no presentan límite elástico, por lo que este límite elástico de compensación se utiliza en estos materiales. ^{[ 14 ]}

Puntos de rendimiento superior e inferior

Algunos metales, como el acero dulce , alcanzan un límite elástico superior antes de descender rápidamente a un límite elástico inferior. La respuesta del material es lineal hasta el límite elástico superior, pero en ingeniería estructural se utiliza el límite elástico inferior como valor conservador. Si un metal se somete a esfuerzos solo hasta el límite elástico superior, e incluso más allá, pueden desarrollarse bandas de Lüders . ^{[ 16 ]}

Las estructuras deformadas presentan menor rigidez, lo que conlleva mayores deflexiones y menor resistencia al pandeo. La estructura quedará permanentemente deformada al retirar la carga y puede presentar tensiones residuales. Los metales de ingeniería muestran endurecimiento por deformación, lo que implica que la tensión de fluencia aumenta tras la descarga desde un estado de fluencia.

El ensayo de límite elástico consiste en tomar una pequeña muestra con un área de sección transversal fija y someterla a una fuerza controlada que aumenta gradualmente hasta que la muestra se deforma o se rompe. Este proceso se denomina ensayo de tracción. La deformación longitudinal y/o transversal se registra mediante extensómetros mecánicos u ópticos.

La dureza por indentación se correlaciona aproximadamente de forma lineal con la resistencia a la tracción para la mayoría de los aceros, pero las mediciones en un material no pueden usarse como escala para medir la resistencia en otro. ^{[ 17 ]} Por lo tanto, las pruebas de dureza pueden ser un sustituto económico de las pruebas de tracción, además de proporcionar variaciones locales en el límite elástico debido, por ejemplo, a operaciones de soldadura o conformado. Para situaciones críticas, las pruebas de tracción se realizan a menudo para eliminar la ambigüedad. Sin embargo, es posible obtener curvas de tensión-deformación a partir de procedimientos basados ​​en la indentación, siempre que se cumplan ciertas condiciones. Estos procedimientos se agrupan bajo el término plastometría por indentación .

Existen diversas maneras de diseñar materiales cristalinos para aumentar su límite elástico. Al modificar la densidad de dislocaciones, los niveles de impurezas y el tamaño de grano (en materiales cristalinos), se puede ajustar con precisión el límite elástico del material. Esto se logra generalmente introduciendo defectos, como dislocaciones o impurezas. Para desplazar este defecto (deformando plásticamente el material), se debe aplicar una mayor tensión, lo que resulta en un límite elástico más elevado. Si bien muchas propiedades de los materiales dependen únicamente de su composición, el límite elástico también es extremadamente sensible al procesamiento del material.

Estos mecanismos para materiales cristalinos incluyen:

• endurecimiento laboral
• Fortalecimiento por solución sólida
• Intensificación de las precipitaciones
• Fortalecimiento de los límites de grano

La resistencia a la fluencia teórica de un cristal perfecto es mucho mayor que la tensión observada al inicio del flujo plástico. ^{[ 18 ]}

Que la resistencia a la fluencia medida experimentalmente sea significativamente menor que el valor teórico esperado puede explicarse por la presencia de dislocaciones y defectos en los materiales. De hecho, se ha demostrado que los filamentos con una estructura monocristalina perfecta y superficies libres de defectos presentan una tensión de fluencia cercana al valor teórico. Por ejemplo, se ha demostrado que los nanofilamentos de cobre experimentan fractura frágil a 1 GPa, ^{[ 19 ]} un valor mucho mayor que la resistencia del cobre macizo y cercano al valor teórico.

La resistencia a la fluencia teórica se puede estimar considerando el proceso de fluencia a nivel atómico. En un cristal perfecto, el cizallamiento produce el desplazamiento de un plano completo de átomos por una distancia de separación interatómica , b (generalmente medida en radios de Bohr , por lo que se debe tener cuidado con las unidades), con respecto al plano inferior. Para que los átomos se muevan, se debe aplicar una fuerza considerable para superar la energía reticular y mover los átomos del plano superior sobre los átomos inferiores y a un nuevo sitio reticular. La tensión aplicada para superar la resistencia de una red perfecta al cizallamiento es la resistencia a la fluencia teórica, τ _max .

La curva de tensión-desplazamiento de un plano de átomos varía sinusoidalmente, alcanzando su valor máximo cuando un átomo se desplaza sobre el átomo inferior y disminuyendo a medida que se desliza hacia el siguiente punto de la red. ^{[ 18 ]}

$${\displaystyle \tau =\tau _{\max }\sin \left({\frac {2\pi x}{b}}\right)}$$

donde b es la distancia de separación interatómica . Dado que τ = G γ y G = d τ / d γ (donde G es el módulo de corte ) para pequeñas deformaciones (es decir , desplazamientos de una sola distancia atómica), esta ecuación se convierte en:

$${\displaystyle {\begin{aligned}G&={\frac {d\tau }{dx}}={\frac {2\pi }{b}}\tau _{\max }\cos \left({\frac {2\pi x}{b}}\right)={\frac {2\pi }{b}}\tau _{\max }\\\tau _{\max }&={\frac {Gb}{2\pi }}\\\end{aligned}}}$$

Para pequeños desplazamientos de γ = x ⁄ a , donde a es el espaciado de los átomos en el plano de deslizamiento, esto se puede reescribir como:

$${\displaystyle {\begin{aligned}G&={\frac {d\tau }{d\gamma }}={\frac {2\pi a}{b}}\tau _{\max }\\\tau _{\max }&={\frac {Gb}{2\pi a}}\\\end{aligned}}}$$

Durante los ensayos de tracción monotónicos, algunos metales, como el acero recocido , presentan un límite elástico superior bien definido o un retraso en el endurecimiento por deformación. ^{[ 20 ]} Estos fenómenos de los ensayos de tracción, en los que la deformación aumenta pero la tensión no aumenta como se esperaba, son dos tipos de elongación del límite elástico.

La elongación del punto de fluencia (YPE) afecta significativamente la usabilidad del acero. En el contexto de los ensayos de tracción y la curva de tensión-deformación de ingeniería, el punto de fluencia es el nivel de tensión inicial, por debajo de la tensión máxima, en el que se produce un aumento de la deformación sin un aumento de la tensión. Esta característica es típica de ciertos materiales, lo que indica la presencia de YPE. ^{[ 20 ]} El mecanismo de la YPE se ha relacionado con la difusión del carbono, y más específicamente con las atmósferas de Cottrell .

El YPE puede provocar problemas como roturas de bobina, roturas de bordes, acanaladuras, tensión en el estirador y deformaciones o pliegues en el carrete, que pueden afectar tanto a la estética como a la planitud. Las roturas de bobina y de bordes pueden ocurrir durante el procesamiento inicial o posterior por parte del cliente, mientras que las acanaladuras y la tensión en el estirador surgen durante el conformado. Las deformaciones del carrete, crestas transversales en las sucesivas vueltas internas de una bobina, son causadas por el proceso de bobinado. ^{[ 20 ]}

Cuando estas condiciones son indeseables, es fundamental que los proveedores estén informados para que proporcionen los materiales adecuados. La presencia de YPE está influenciada por la composición química y los métodos de procesamiento en la fábrica, como el laminado superficial o el laminado de temple, que eliminan temporalmente el YPE y mejoran la calidad de la superficie. Sin embargo, el YPE puede reaparecer con el tiempo debido al envejecimiento, que se produce al mantenerlo a una temperatura generalmente de 200-400 °C. ^{[ 20 ]}

A pesar de sus inconvenientes, el YPE ofrece ventajas en ciertas aplicaciones, como el conformado por rodillos , y reduce la recuperación elástica . En general, el acero con YPE es altamente conformable. ^{[ 20 ]}

• Plasticidad (física)
• Límite elástico mínimo especificado
• Resistencia a la tracción máxima
• Curva de fluencia (física)
• Superficie de fluencia