Decodificando la curva tensión-deformación:conocimientos esenciales para la ingeniería de materiales

Sin saber cómo reacciona un material a la tensión, o cuánta tensión puede soportar, sus productos y estructuras de ingeniería pueden fallar y dejarlo con dudas. Una excelente manera de evitar esto es a través de un gráfico de curva de tensión-deformación que proporciona una explicación visual de las cualidades de un material y cómo responderá a diversos factores estresantes. Explicaremos exactamente cómo funciona el gráfico y cómo puedes leerlo en este artículo.

¿Qué es el estrés?

Hay muchos tipos de tensión, pero cuando se trata del tipo que los ingenieros están trabajando para descubrir, la definición más simple es la cantidad de fuerza que se aplica a un área transversal. Saber esto le permitirá comprender cuánto puede soportar un material antes de fracturarse o romperse. La fórmula para resolverlo se puede ver a continuación:

1. 𝜎 =estrés
2. F =fuerza aplicada
3. A =área de la sección transversal

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre Estrés.

¿Qué es la tensión?

Aunque a menudo se habla de tensión y deformación juntas, esta última es la deformación que sufre un material en comparación con sus dimensiones originales. Es otro punto de referencia calculable que es esencial para ayudar a los ingenieros a conocer mejor un material y tener una mejor idea de cuándo se romperá una estructura o elemento hecho de un material específico. La tensión es un ejemplo de un valor sin unidades (ya que ambos números en la fórmula son longitudes) y la fórmula se ve así:

1. ε =tensión
2. Lf =longitud final después de que se produce la deformación 
3. L0 =longitud original o inicial

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre Strain.

¿Qué es la curva tensión-deformación?

Ahora veremos cómo medir la curva tensión-deformación y qué tipo de información se puede extraer de ella. En la fabricación actual, existen muchas máquinas que realizan todas las mediciones por usted. Estas curvas generalmente se crean mediante una máquina de prueba de tracción moderna, y dichos gráficos están estandarizados a través de ASTM International en algunas categorías:E8 para metales y D638 para plásticos. Puede esperar que las pruebas y mediciones para crear esta curva sean algo como esto:

• Usted o el operador obtendrán o crearán un material de prueba con las dimensiones correctas.
• Luego, sujetará o sujetará el material de prueba a las mandíbulas de la máquina de prueba.
• La máquina luego colocará una carga de tracción sobre el material y aumentará esa carga hasta que el material se rompa.
• Una vez que esto suceda, la máquina anotará los valores de tensión y deformación según esas lecturas.

¿Por qué son importantes las curvas tensión-deformación?

La curva tensión-deformación es importante porque permite a los ingenieros determinar rápidamente varias de las propiedades mecánicas más críticas y fundamentales de cualquier material. Una sola prueba de tracción puede producir un gráfico tensión-deformación, que luego permite obtener las siguientes propiedades de un material:

1. Módulo de Young
2. Límite elástico
3. Máxima resistencia a la tracción
4. Ductilidad
5. Relación de Poisson

¿Cómo se generan las curvas tensión-deformación?

Las curvas tensión-deformación se generan automáticamente mediante modernas máquinas de ensayo de tracción. Estas máquinas monitorean y registran continuamente la fuerza aplicada a una muestra de prueba y la cantidad de deformación que experimenta como resultado de esa carga. Los métodos de prueba más comúnmente utilizados para pruebas de tracción y creación de curvas tensión-deformación estandarizadas son los emitidos por ASTM International. ASTM E8 estandariza las pruebas de tracción para materiales metálicos, mientras que ASTM D638 estandariza las pruebas de tracción para materiales plásticos. Los pasos para crear una curva tensión-deformación se describen en la siguiente lista:

1. Prepare la muestra de prueba con las dimensiones requeridas.
2. Monte la muestra de prueba en las mordazas de la máquina de prueba de tracción.
3. Aplique una carga de tracción en aumento continuo a la muestra hasta que se rompa.
4. La máquina de prueba de tracción registrará la tensión y la deformación experimentadas por la muestra de prueba en función de las lecturas de la fuerza aplicada por la celda de carga y el desplazamiento de las mandíbulas que sujetan la pieza de prueba.

¿Cuáles son las diferentes formas de medir el estrés y la tensión?

Hay dos tipos que encontrará en la curva tensión-deformación:tensión y deformación de ingeniería, y tensión y deformación verdaderas. 

1. Estrés y deformación de ingeniería

El primer tipo (ingeniería) también se llama tensión y deformación nominal y se calcula sin considerar los detalles muy pequeños de la deformación plástica. Es una forma sencilla de obtener valores mediante una prueba de tracción estándar y comprender el rendimiento de un material. La fórmula para el estrés de ingeniería se ve así:

2. Verdadero estrés y tensión

Este es el valor real de tensión y deformación que se obtiene si se tiene en cuenta la deformación plástica. Hacer cálculos para este tipo específico de tensión y deformación es excelente para aprender las propiedades mecánicas de un material y, para encontrarlos, es necesario utilizar datos experimentales sobre la longitud calibrada instantánea, el área de la sección transversal y la carga aplicada. La fórmula para encontrar el estrés verdadero se ve así:

¿Cuáles son las etapas de la curva tensión-deformación?

Un diagrama tensión-deformación tiene tres etapas. En la primera etapa, el material sólo experimenta deformación elástica. Cuando se libera la tensión aplicada, el material vuelve a sus dimensiones originales. 

En la segunda etapa se produce una deformación plástica uniforme. Esta etapa comienza en el límite elástico y continúa mientras el material pueda continuar fortaleciéndose mediante endurecimiento por deformación (el mismo proceso que ocurre en el conformado en frío) con cada nuevo incremento de la carga aplicada. Con el tiempo, se agota la capacidad del material para una deformación plástica estable. La cantidad de deformación plástica que se puede tolerar durante esta fase nos dice mucho sobre la relativa fragilidad o ductilidad del material.

La etapa final de una prueba de tracción se conoce como "estricción". Esta etapa ocurre después de que se alcanza la tensión máxima de tracción del material y ya no es posible un endurecimiento por deformación adicional. En lugar de una deformación continua y estable, se forma una región de deformación localizada en algún lugar de la sección transversal de la muestra de ensayo. Las tensiones de tracción excesivas reducen las dimensiones del material que son perpendiculares a la fuerza aplicada, lo que provoca una reducción significativa del área. Esto hace que el material tenga forma de “cuello”. Una vez que comienza el estrechamiento, la tensión de ingeniería del material disminuye mientras que la tensión real continúa aumentando.  El material se fractura poco después de que comienza el estrechamiento.

¿Cómo se lee un gráfico tensión-deformación?

A continuación se ofrece una guía rápida para leer uno de estos gráficos:

1. Elija un valor de tensión en el eje Y.
2. Dibuje una línea horizontal desde el eje Y hasta que se cruce con la línea de la curva tensión-deformación. Haz un punto en ese punto. 
3. Dibuje una línea vertical desde el punto de intersección hasta el eje X. Juntas, estas líneas deben formar un ángulo de 90 grados.
4. El valor de tensión que eligió en el paso uno muestra la tensión que corresponde a la deformación (o tensión) que le ocurre al material en ese punto. 

¿Cuáles son las diferentes regiones del gráfico de la curva tensión-deformación?

Una vez que tenga un gráfico que muestre la curva tensión-deformación, vale la pena comprender las regiones, las etapas y la información que puede analizar a partir de él. Las tres etapas son deformación elástica, deformación uniforme y estricción. La deformación elástica ocurre cuando un material experimenta tensión pero aún puede volver a sus dimensiones originales. La deformación uniforme ocurre mientras un material puede soportar el fortalecimiento mediante endurecimiento por deformación, lo cual es una muestra de su fragilidad o ductilidad. El estrechamiento se produce cuando se ha alcanzado la resistencia máxima a la tracción y el endurecimiento por deformación ya no es posible. La deformación localizada aparecerá en algún lugar de la sección transversal del material, sus dimensiones disminuyen mientras la tensión aumenta, y luego pasa el punto de no retorno y se deforma o rompe permanentemente.

Ahora que conoce las etapas, puede comprender las regiones y seleccionar cinco de los puntos más importantes del gráfico, que describimos brevemente a continuación:

1. Límite proporcional

El punto final de la porción lineal de la curva tensión-deformación del que se puede extraer el módulo de Young calculando la pendiente.

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre límite proporcional.

2. Límite elástico

El punto final de la deformación elástica, que luego es asumido por la deformación plástica (es difícil distinguirlo del límite elástico cuando se miden metales).

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre límite elástico.

3. Punto de rendimiento

Igual que el límite elástico, pero calculable, mucho más fiable para los ingenieros. Para resolverlo, desplace la parte lineal de la curva en un +0,2% a lo largo del eje horizontal. Luego, encuentra el punto de intersección entre la línea de desplazamiento y la curva tensión-deformación original, y obtiene el límite elástico. 

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre el límite elástico.

4. Punto de estrés final

La mayor cantidad de tensión en la curva tensión-deformación, después de la cual comienza el estrechamiento. También es importante tener en cuenta que, si bien este es el punto más alto del gráfico, el punto más alto real ocurre justo cuando el material se rompe. 

5. Fractura o punto de ruptura

Como su nombre lo indica, este es el punto de la curva donde su material se ha deformado tanto que finalmente se ha roto o fracturado.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre fractura o punto de rotura.

¿Cómo se elabora una curva tensión-deformación?

Se obtiene una curva tensión-deformación realizando un ensayo de tracción utilizando una máquina de ensayo universal. La máquina de prueba capturará automáticamente los datos para producir una curva tensión-deformación a medida que aumenta la carga y la muestra se deforma. 

¿Cómo se utilizan las curvas tensión-deformación?

El gráfico tensión-deformación se utiliza para determinar diversas propiedades mecánicas de un material, incluido el módulo elástico, el índice de Poisson, el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción. Estas propiedades ayudan a los ingenieros a seleccionar materiales para aplicaciones donde la capacidad de carga es crítica.

¿Qué es la curva tensión-deformación de un material dúctil? 

La curva de tensión-deformación de ingeniería para un material dúctil se caracteriza por una línea recta creciente hasta que se alcanza el límite elástico. Después del límite elástico, la función de tensión y deformación aumenta de forma no lineal y alcanza su punto máximo cuando se alcanza la resistencia máxima a la tracción. Posteriormente, la tensión de ingeniería disminuye de forma no lineal a medida que la deformación continúa aumentando. Finalmente, una vez que la deformación del material se vuelve tan grande, el material se fractura.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre ductilidad.

¿Cuál es la curva tensión-deformación de un material frágil?

La curva tensión-deformación de un material frágil es una línea con pendiente pronunciada que muestra que la tensión aumenta rápidamente con poca deformación. A diferencia de los materiales dúctiles, la curva tensión-deformación para un material frágil muestra poca deformación plástica después de que se alcanza el límite elástico (límite elástico). El material se fractura poco después del límite elástico. 

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre fragilidad.

¿Cuál es la diferencia entre tensión-deformación de ingeniería y tensión-deformación verdadera?

Las diferencias entre tensión-deformación de ingeniería y tensión-deformación verdadera se enumeran a continuación: 

1. La tensión-deformación de ingeniería no tiene en cuenta la deformación del material, mientras que la tensión-deformación real sí lo hace.
2. La deformación de ingeniería es la relación entre el cambio de longitud y la longitud original, mientras que una deformación verdadera es el logaritmo natural de la longitud instantánea sobre la longitud original.
3. La tensión-deformación de ingeniería es ideal para determinar el rendimiento del material, mientras que la tensión-deformación real es ideal para determinar las propiedades del material.

¿Cuál es la diferencia entre estrés y tensión?

Las diferencias entre tensión y deformación se enumeran a continuación:

1. La tensión es la fuerza por unidad de área, mientras que una deformación es una variación en la longitud de una dimensión sobre la longitud original de la dimensión.
2. La tensión tiene unidades de Pa o psi, mientras que la tensión no tiene unidades.
3. El símbolo de tensión es 𝛔 mientras que el símbolo de tensión es 𝞊.
4. Es necesario que haya estrés para causar tensión.
5. El estrés no se puede medir directamente y se calcula mediante relaciones matemáticas, mientras que la deformación se puede medir directamente.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre estrés versus tensión.

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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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