Descifrando la curva tensión-deformación: claves esenciales para ingeniería de materiales

Sin saber cómo reacciona un material a la tensión, o cuánta puede soportar, sus productos e estructuras pueden fallar y dejarle perplejo. Una excelente forma de evitarlo es mediante un gráfico de curva tensión-deformación que proporciona una explicación visual de las cualidades de un material y cómo responderá a diversos factores de tensión. Le explicaremos exactamente cómo funciona el gráfico y cómo leerlo.

¿Qué es la tensión?

Hay muchos tipos de tensión, pero en el que los ingenieros trabajan para descubrir, la definición más simple es la cantidad de fuerza aplicada a un área transversal. Conocer esto da una comprensión de cuánto puede manejar un material antes de fracturarse o romperse. La fórmula para calcularla se ve a continuación:

1. 𝜎 = tensión
2. F = fuerza aplicada
3. A = área transversal

Para más información, consulte nuestro artículo sobre Tensión.

¿Qué es la deformación?

Aunque tensión y deformación a menudo se hablan juntas, la segunda es la deformación que un material experimenta comparada con sus dimensiones originales. Es otro punto de referencia calculable esencial para ayudar a los ingenieros a conocer realmente un material y tener la mejor idea de cuándo una estructura o artículo hecho de un material específico se romperá. La deformación es un ejemplo de valor adimensional (ya que ambos números en la fórmula son longitudes), y la fórmula se ve así:

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

Para más información, consulte nuestra guía completa sobre Deformación.

¿Qué es la curva tensión-deformación?

Ahora veremos la medición de la curva tensión-deformación y qué tipo de información se puede extraer. En la fabricación actual, hay muchas máquinas que hacen toda la medición. Estas curvas suelen crearse por una máquina de ensayo a tracción moderna, y dichos gráficos están estandarizados por ASTM International bajo algunas categorías — E8 para metales y D638 para plásticos. Puede esperar que las pruebas y mediciones para crear esta curva vayan algo así:

• Usted u el operador obtendrá o creará un material de prueba con las dimensiones adecuadas.
• Luego sujetará el material de prueba a las mordazas de la máquina de ensayo.
• La máquina aplicará una carga de tracción al material y la aumentará hasta que el material se rompa.
• Una vez que esto ocurra, la máquina registrará los valores de tensión y deformación basados en 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. Un solo ensayo a tracción puede producir un gráfico tensión-deformación, lo que permite obtener las siguientes propiedades:

1. Módulo de Young
2. Límite elástico (resistencia a la cedencia)
3. Resistencia última a tracción
4. Ductilidad
5. Coeficiente de Poisson

¿Cómo se generan las curvas tensión-deformación?

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

1. Preparar la probeta a las dimensiones requeridas.
2. Montar la probeta en las mordazas de la máquina de ensayo a tracción.
3. Aplicar una carga de tracción continuamente creciente hasta que la probeta se rompa.
4. La máquina registrará la tensión y deformación experimentadas por la probeta basándose en lecturas de fuerza por la celda de carga y desplazamiento de las mordazas.

¿Cuáles son las diferentes formas de medir tensión y deformación?

Hay dos tipos en la curva tensión-deformación: tensión y deformación nominales (ingeniería), y tensión y deformación verdaderas.

1. Tensión y deformación nominales (ingeniería)

El primer tipo (ingeniería) también se llama tensión y deformación nominales y se calcula sin considerar los detalles mínimos de la deformación plástica. Es una forma fácil de obtener valores mediante un ensayo a tracción estándar y entender el rendimiento de un material. La fórmula para tensión nominal se ve así:

2. Tensión y deformación verdaderas

Esta es la tensión y deformación real que obtiene si tiene en cuenta la deformación plástica. Hacer cálculos para este tipo es excelente para aprender las propiedades mecánicas de un material, y para encontrarla necesita usar datos experimentales sobre la longitud de medición instantánea, área transversal y carga aplicada. La fórmula para encontrar tensión verdadera se ve así:

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

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

La deformación plástica uniforme ocurre en la segunda etapa. Esta comienza en el punto de cedencia y continúa mientras el material pueda seguir fortaleciendo mediante endurecimiento por deformación (el mismo proceso que ocurre en conformado en frío) con cada nuevo incremento de carga. Eventualmente, la capacidad del material para deformación plástica estable se agota. La cantidad de deformación plástica tolerable durante esta fase nos dice mucho sobre la fragilidad o ductilidad relativa del material.

La etapa final de un ensayo a tracción se denomina "estricción" (necking). Ocurre después de alcanzar la tensión última a tracción, y no es posible más endurecimiento por deformación. En lugar de deformación estable continua, se forma una región de deformación localizada en alguna parte de la sección transversal. Los esfuerzos de tracción excesivos reducen las dimensiones perpendiculares a la fuerza aplicada, causando reducción significativa de área. Esto da al material forma de "cuello". Una vez comienza el estricción, la tensión nominal disminuye mientras la verdadera sigue aumentando. El material fractura poco después.

¿Cómo leer un gráfico tensión-deformación?

Aquí hay una guía rápida para leer uno de estos gráficos:

1. Elija un valor de tensión en el eje Y.
2. Trace una línea horizontal desde el eje Y hasta que intersecte la curva. Haga un punto en ese punto.
3. Trace una vertical desde el punto de intersección al eje X. Juntas, estas líneas forman un ángulo de 90 grados.
4. El valor de tensión elegido en el paso uno muestra la tensión correspondiente a la deformación (o deformación) que ocurre en el material en ese punto.

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

Una vez que tiene un gráfico, vale la pena entender las regiones, etapas e información que se puede extraer. Las tres etapas son deformación elástica, deformación uniforme y estricción. La deformación elástica es cuando el material experimenta esfuerzo pero puede volver a sus dimensiones originales. La deformación uniforme ocurre mientras el material puede manejar fortalecimiento mediante endurecimiento por deformación — muestra su fragilidad o ductilidad. El estricción es cuando se alcanza la resistencia última y el endurecimiento ya no es posible. Aparece deformación localizada en la sección transversal, sus dimensiones disminuyen mientras el esfuerzo aumenta, y ya no hay retorno: se deforma o rompe permanentemente.

Ahora que conoce las etapas, puede entender las regiones y seleccionar cinco de los puntos más importantes en el gráfico, descritos brevemente a continuación:

1. Límite proporcional

Punto final de la porción lineal en la curva tensión-deformación del cual el módulo de Young se obtiene calculando la pendiente.

Para más información, consulte nuestro artículo sobre límite proporcional.

2. Límite elástico

Punto final para deformación elástica, que luego es tomada por deformación plástica (es difícil distinguirlo del límite elástico al medir metales).

Para más información, consulte nuestro artículo sobre límite elástico.

3. Punto de cedencia

Igual que el límite elástico, pero calculable, así que mucho más fiable para ingenieros. Para calcularlo, desplace la porción lineal de la curva +0,2 % a lo largo del eje horizontal. Luego, encuentre el punto de intersección entre la línea desplazada y la curva original, y tendrá la resistencia a la cedencia.

Para más información, consulte nuestra guía completa sobre punto de cedencia.

4. Punto de tensión última

La mayor cantidad de tensión en la curva, después de la cual comienza el estricción. También es importante notar que aunque este es el punto más alto en el gráfico, el punto más alto real ocurre justo cuando el material se rompe.

5. Punto de fractura o rotura

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

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

¿Cómo se hace una curva tensión-deformación?

Una curva tensión-deformación se hace realizando un ensayo a tracción usando una máquina de ensayo universal. La máquina capturará automáticamente los datos para producir la curva a medida que la carga aumenta y la probeta se deforma.

¿Cómo se usan las curvas tensión-deformación?

El gráfico tensión-deformación se usa para determinar varias propiedades mecánicas, incluyendo módulo elástico, coeficiente de Poisson, esfuerzo de cedencia y resistencia última a tracción. Estas propiedades ayudan a los ingenieros a seleccionar materiales para aplicaciones donde la capacidad de carga es crítica.

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

La curva tensión-deformación nominal para un material dúctil se caracteriza por una línea recta creciente hasta alcanzar el punto de cedencia. Después, la función de tensión y deformación aumenta no linealmente y alcanza su pico cuando se llega a la resistencia última. Después, la tensión nominal disminuye no linealmente mientras la deformación sigue aumentando. Eventualmente, cuando la deformación se vuelve tan grande, el material fractura.

Para más información, consulte nuestra guía completa sobre ductilidad.

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

La curva de un material frágil es una línea de pendiente pronunciada que muestra el esfuerzo aumentando rápidamente con poca deformación. A diferencia de materiales dúctiles, la curva muestra poca deformación plástica después de alcanzar el esfuerzo de cedencia. El material fractura poco después del esfuerzo de cedencia.

Para más información, consulte nuestra guía completa sobre fragilidad.

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

Las diferencias se enumeran a continuación:

1. La nominal no tiene en cuenta la deformación del material mientras la verdadera sí.
2. La deformación nominal es la razón del cambio de longitud a la original, mientras la verdadera es el logaritmo natural de la longitud instantánea sobre la original.
3. La nominal es ideal para determinar rendimiento del material, mientras la verdadera es ideal para determinar propiedades del material.

¿Cuál es la diferencia entre tensión y deformación?

Las diferencias se enumeran a continuación:

1. La tensión es fuerza por unidad de área, mientras la deformación es variación de longitud sobre la original.
2. La tensión tiene unidades de Pa o psi, mientras la deformación es adimensional.
3. El símbolo de tensión es 𝛔, el de deformación es 𝞊.
4. La tensión es requerida para causar deformación.
5. La tensión no puede medirse directamente y se calcula mediante relaciones matemáticas, mientras la deformación puede medirse directamente.

Para más información, consulte nuestra guía completa sobre tensión vs. deformación.

Cómo puede ayudar Xometry

En Xometry trabajamos con muchos materiales importantes para ingenieros y fabricantes y podemos ofrecer cotizaciones gratuitas para todo, desde mecanizado CNC hasta impresión 3D y corte láser de chapa.

Descargo de responsabilidad

El contenido que aparece en esta página web es solo para fines informativos. Xometry no hace ninguna representación ni garantía de ningún tipo, ya sea expresa o implícita, en cuanto a la exactitud, integridad o validez de la información. Cualquier parámetro de rendimiento, tolerancias geométricas, características de diseño específicas, calidad y tipos de materiales, o procesos no deben inferirse como representativos de lo que será entregado por proveedores o fabricantes terceros a través de la red de Xometry. Los compradores que busquen cotizaciones para piezas son responsables de definir los requisitos específicos para esas piezas. Consulte nuestros términos y condiciones para más información.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia. Kat tiene experiencia escribiendo para diversas organizaciones manufactureras y técnicas y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue paralegal casi 10 años, siete en finanzas navieras. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene BA en literatura inglesa y filosofía, y MA en escritura creativa de la Universidad Kingston.

Lea más artículos de Kat de Naoum