Explicación del límite elástico:definición, importancia, gráficos y cómo calcularlo

Comprender las diferentes tensiones que experimenta un material es la clave para saber cómo responderá cuando sea un producto y enfrentará presiones y tensiones en el mundo real. Cuando tenga una idea de cómo resistirá, tendrá la tranquilidad respaldada por la ciencia sobre los materiales que elija y sabrá hasta qué punto algo puede estirarse, doblarse o comprimirse antes de romperse y deformarse. Un concepto útil que cae bajo este grupo de tensiones es la medición del límite elástico, que exploraremos con más profundidad más adelante.

¿Qué es el límite elástico?

El límite elástico indica a los ingenieros cuándo un material pasa de la deformación elástica a la deformación plástica, siendo la primera algo de lo que debería recuperarse y la segunda un punto en el que ya no puede volver a su forma original. Se puede calcular mediante una fórmula específica, a la que llegaremos. Pero primero, es importante comprender cómo se ve representado en un gráfico y qué otros puntos existen en un gráfico de tensión-deformación.

¿Cómo se relaciona el límite elástico con la impresión 3D?

El límite elástico es relevante para la impresión 3D porque la resistencia de una pieza impresa en 3D se basa en gran medida en el material, la orientación de la impresión y la calidad de la impresión. Las piezas impresas en 3D son más fuertes dentro del plano de cada capa impresa que en la dirección transversal a la pila acumulada de capas impresas. Los enlaces moleculares entre las capas son más débiles que los que se encuentran dentro de las capas, por lo que si se aplica una fuerza excesiva, pueden deslaminarse. Orientar una pieza para aprovechar la mejor resistencia dentro de la capa puede aumentar el límite elástico general de la pieza.

Para obtener más información, consulta nuestra guía completa:todo lo que debes saber sobre la impresión 3D.

¿El límite elástico afecta el rendimiento de un material impreso en 3D?

Sí, el límite elástico de un material impreso en 3D tiene un gran impacto en su rendimiento. Una pieza impresa en 3D con un límite elástico inadecuado puede deformarse plásticamente bajo las cargas de servicio normales en una aplicación. La deformación plástica no sólo reduce la capacidad de carga de la pieza sino que también aumenta la probabilidad de que se produzca una fractura.

¿Cómo entender el gráfico de la curva tensión-deformación del límite elástico?

Para obtener una representación visual del límite elástico, puede colocar puntos en una curva tensión-deformación, pero el límite elástico no es lo único que se puede calcular y presentar en este gráfico. A continuación, puede ver un ejemplo de cómo se ve y desglosaremos las otras características que notará.

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre la curva tensión-deformación.

¿Cuáles son las diferentes formas de explicar el gráfico tensión-deformación del límite elástico?

El límite elástico es sólo un punto en una curva tensión-deformación. Alrededor de ese punto hay otras características que se pueden describir y medir a partir de una curva de tensión-deformación. Estos puntos de interés y regiones se explican en la siguiente lista:

1. Punto de rendimiento

Este es el punto que muestra cuándo comienza la deformación plástica y les da a los fabricantes e ingenieros una idea de cómo un material resistirá la resistencia a la tracción. Cuando lo esté trazando usted mismo, después de calcular la fórmula, encontrará que existe donde termina la parte lineal de la curva tensión-deformación y donde comienza la parte no lineal. Curiosamente, también notarás que algunos materiales tienen dos puntos de fluencia, como el acero dulce.

2. Límite elástico

Observar este punto indica la cantidad máxima de tensión que un material puede soportar justo antes de deformarse permanentemente. Una vez que la tensión disminuye, recuperará su forma original, pero si lo empuja más allá de este límite, se producirá una deformación. Es la última parada en el camino hacia la deformación antes de que aparezca el límite elástico. 

3. Límite de proporcionalidad

Encontrará este punto al final de la porción lineal de la curva tensión-deformación y comparte el punto en el que la tensión y la deformación ya no son directamente proporcionales entre sí. Para encontrar este número, usarías el módulo de Young, también conocido como módulo de elasticidad. 

4. Límite elástico verdadero

Este punto no se utiliza con frecuencia, pero muestra cuándo la estructura cristalina de un material comienza a cambiar bajo tensión, específicamente la cantidad más baja de tensión cuando esto comienza a suceder. La razón por la que rara vez se muestra o se piensa demasiado en él es porque es un punto difícil de detectar.

5. Puntos de rendimiento superior e inferior

El límite superior de fluencia muestra cuándo la red cristalina del material comienza a sufrir dislocaciones en su estructura, pero se ve muy afectado incluso por las influencias más pequeñas en la deformación y el equipo de prueba que se utiliza, por lo que no es del todo confiable cuando se trata de opciones de diseño e ingeniería. Sin embargo, el límite elástico más bajo es mucho más fácil de repetir en las pruebas y es el período en el que aparecen bandas de Luders en una sección de prueba, justo antes de que comience el endurecimiento por deformación.

6. Tensión de rendimiento compensada (tensión de prueba)

Esto también se llama tensión de prueba y es el método más común para describir el límite elástico de un material. Puedes encontrarlo dibujando una línea paralela a la porción lineal de la curva tensión-deformación. Donde este punto y la curva tensión-deformación se cruzan es el límite elástico. 

¿Qué significan estricción y fractura en la prueba de límite elástico?

Estos no son puntos en la curva, sino más bien cosas que le pueden suceder a un material durante las pruebas de su límite elástico. El estrechamiento es una forma de deformación que ocurre antes de que ocurra una fractura en los niveles máximos de tensión de ingeniería y, por lo general, se limita a una parte específica del material. Entonces se producirá una fractura o una rotura. Una vez que se produce el estrechamiento, la tensión disminuirá porque el área de la muestra ha disminuido.

¿Cuál es la importancia del límite elástico?

El límite elástico es importante porque caracteriza la tensión más alta que un material puede tolerar antes de que se produzca una deformación permanente. Los ingenieros suelen utilizar el límite elástico de un material para determinar la carga máxima permitida que una pieza o estructura diseñada puede soportar. Al conocer el límite elástico de un material, los ingenieros pueden diseñar piezas más seguras y duraderas.

¿Cuál es la fórmula para el límite elástico?

Para calcular el límite elástico, puede confiar en la fórmula que siempre se utiliza para determinar la tensión en general. Puedes ver cómo se ve la fórmula escrita a continuación.

El símbolo F en esta ecuación representa la fuerza aplicada y A0 es el área de la sección transversal de la muestra del material que está probando.

El valor normalmente se expresa en pascales (Pa), la unidad SI para tensión, o en libras por pulgada cuadrada (psi). El límite elástico generalmente se escribe como σY, que usa la letra griega Sigma para representar tensión de ingeniería e Y para fluencia. También puede encontrarlo escrito como SY.

¿Cuál es la unidad de límite elástico?

El límite elástico generalmente se expresa en pascales (Pa), la unidad SI para tensión, o en libras por pulgada cuadrada (psi). 

¿Cuál es el símbolo del límite elástico?

El símbolo del límite elástico es σY. La letra griega σ es el símbolo utilizado para la tensión de ingeniería, mientras que el subíndice "Y" significa "rendimiento". Ocasionalmente, "SY" también se utiliza para indicar el límite elástico.

¿Cómo se lee el límite elástico en un gráfico tensión-deformación?

Para leer un gráfico de límite elástico (curva tensión-deformación), primero elija un valor de tensión en el eje Y. En segundo lugar, dibuje una línea horizontal que se extienda entre el punto seleccionado en el eje Y y la línea del gráfico de tensión-deformación. En tercer lugar, marque el punto de intersección de la línea dibujada y el gráfico de límite elástico. A continuación, dibuje una línea vertical desde el punto marcado hasta el eje X. El punto donde la línea vertical cruza el eje X es la deformación que corresponde con la tensión seleccionada en el eje Y.

¿Cuáles son ejemplos de límite elástico?

La comparación de materiales a menudo puede dar una mejor idea de cómo se representa el límite elástico y cómo se ven los valores típicos; aquí presentamos algunos ejemplos:

1. Aceros: Dependerá de cómo se forje, forme y cree el acero, pero el acero A36 laminado en caliente ronda los 220 MPa, y los aceros templados o revenidos con aceite pueden tener un valor más alto, de hasta 1570 MPa.
2. Aceros inoxidables: El rango de aceros inoxidables puede comenzar alrededor de 250 MPa para un acero inoxidable austenítico, mientras que un acero inoxidable endurecido por precipitación puede tener un límite elástico de hasta 1000 MPa.
3. Aleaciones de aluminio: Suelen ser más bajos que el acero, pero más altos que el plástico. Un grado de aluminio 1100 tiene un límite elástico promedio de aproximadamente 24 MPa, mientras que un aluminio 7075 tiene uno de aproximadamente 483 MPa. 
4. Plásticos: Dependiendo del plástico con el que esté trabajando, puede esperar un límite elástico de 4 MPa para algo como un PVC plastificado y 300 MPa para una poliamida rellena de fibra de carbono.

¿Qué dispositivo se utiliza para medir el límite elástico?

Para medir el límite elástico se utiliza una máquina de prueba universal, también conocida como máquina de prueba de tracción. Estas máquinas llevan a cabo ensayos de tracción durante los cuales se aplica una carga de tracción en continuo aumento a una muestra de ensayo, normalmente a una velocidad de deformación constante. A medida que se aplica la carga, la tensión y la deformación experimentadas por la muestra de prueba se capturan digitalmente y se representan gráficamente.  La tensión se muestra en el eje Y, mientras que la deformación se muestra en el eje X. El límite elástico se determina creando una línea paralela desplazada con una deformación positiva del 0,2 % desde la parte lineal del gráfico tensión-deformación. La tensión en el punto de intersección de la línea de desplazamiento y el gráfico tensión-deformación es el límite elástico del material.

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre la máquina de ensayo de tracción.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es una escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia en escritura. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones técnicas y de fabricación y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue asistente legal durante casi 10 años, siete de los cuales estuvieron en finanzas navales. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene una licenciatura en literatura y filosofía inglesas y una maestría en escritura creativa de la Universidad de Kingston.

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