Esfuerzo y deformacion de materiales

esfuerzo y deformación de los materiales

1. República bolivariana de Venezuela Instituto universitario politécnico “Santiago Mariño” Extensión Mérida Facilitador: Antonio Zerpa Autor: Agustín Avendaño V-27.459.533 Esc : 48     Mérida 18 de junio de 2021   ESFUERZO Y DEFORMACIÓN EN METALES

2. INTRODUCION Existen diferentes variaciones en los materiales, que un ingeniero debe tomar en cuenta al momento de utilizar dicho material, estas variaciones, son en cuanto a la forma que puede alcanzar un material, la fuerza que posea, la elasticidad, la resistencia, entre otras cualidades, que serán puestas a prueba.

3. Deformación elástica Cuando un material es sometido a una fuerza (carga, esfuerzo o tensión) se produce en él una deformación. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas (iniciales), diremos que ha experimentado una deformación elástica. El material solo ha La deformación elástica se produce cuando los átomos del material son desplazados de sus posiciones originales mientras dura la deformación (cuando se somete a la fuerza), pero no hasta el extremo de tomar nuevas posiciones de forma permanente, de tal manera, que cuando dejamos de aplicar la fuerza de deformación, vuelven a sus posiciones originales. Este tipo de deformación implica el estiramiento o flexión de los enlace. sufrido un cambio de dimensiones temporales. La deformación es reversible y no permanente.

4. Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar sus dimensiones originales, diremos que ha sufrido una deformación plástica. Los cambios son irreversibles. Desde un punto de vista molecular, la distancia entre las moléculas de un material no sometido a ninguna fuerza depende de un equilibrio entre las fuerzas moleculares de atracción y repulsión. Cuando se aplica una fuerza externa que crea una tensión en el interior del material, las distancias moleculares cambian y el material se deforma.

5. - Rígidos: No se deforman por la acción de una fuerza. Por ejemplo un bolígrafo. - Elásticos: Se deforma por la acción de una fuerza pero recupera su forma inicial. Por ejemplo una goma del pelo. - Plásticos: Se deforma por la acción de una fuerza pero no recupera su forma inicial. Por ejemplo la plastilina. Un ejemplo, cuando te sientas en una silla, todos los átomos de la pata de la silla se acercan en proporción al peso de tu cuerpo. Si ahora te levantas y vuelven a donde estaban sus ubicaciones iniciales (equilibrio), esa deformación sufrida sería elástica. Los materiales, en función de su deformación cuando se les aplica una fuerza, pueden ser:

6. La energía potencial elástica es la energía potencial almacenada como resultado de la deformación de un objeto elástico, por ejemplo el estiramiento de un resorte. En la deformación elástica el sólido aumenta su energía interna en forma de energía potencial elástica, que se libera posteriormente para recuperar su estado original . La Elasticidad estudia la relación entre las fuerzas y las deformaciones, sobre todo en los cuerpos elásticos. Hay una ley muy importante y estudiada en elasticidad, la llamada ley de Hooke.

7. Cuando un ingeniero se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debe tener presente el diagrama de fuerzas que actúan sobre esa pieza o elemento, para que no se sobredimensiones demasiado o la haga trabajar en zonas de deformaciones plásticas. Para esto suele utilizan curvas sacadas de ensayos sobre el material, por ejemplo como la que ves a continuación en un Determinación del Límite Elástico ensayo de tracción y se llama gráfica de esfuerzo-deformación.

8. Propiedades elásticas

9. Bases atómicas del comportamiento elástico .

10. El valor de r que corresponde al mínimo de energía potencial, es la separación de equilibrio entre dos átomos, . La fuerza neta es cero en y un desplazamiento en cualquier dirección provocará la acción de fuerzas que restauren el equilibrio. Los átomos en una estructura cristalina tienden a estar arreglados en un patrón definido con respecto a sus vecinos . Las deformaciones macroscópicas elásticas, son el resultado de un cambio en el espacio interatómico. La deformación macroscópica en una dirección dada , es igual al cambio fraccionario promedio en el espacio interatómico en esa dirección . De esta manera se demuestra fácilmente que el módulo de Young E, es proporcional a la pendiente de la curva de fuerza Condon -Morse en el valor o alternativamente, a la curvatura de la curva potencial de Condon -Morse en el mismo valor de separación interatómica.  

11. Típico comportamiento elástico de materiales cristalinos en compresión y tensión Típico comportamiento elástico de elastómeros en compresión y tensión Típico comportamiento elástico en compresión y tensión de materiales celulares que exhiben pandeo elástico de las paredes de la celda, al deformarse en compresión

12. Deformación plástica de los metales . Materiales presentan un comportamiento elástico, que se define por la existencia de una relación lineal entre la tensión y la deformación, tal como muestra la figura hasta el punto 2, en el cual las deformaciones se revierten completamente al eliminar la carga o fuerza actuante; esto es que el espécimen cargado por una tensión en la región elástica se estirará, pero tomará su forma y tamaño original cuando se retira la carga. Luego de la región lineal, en los materiales dúctiles, tales como el acero, las deformaciones son plásticas. Un espécimen que se ha deformado en forma plástica no tomará su forma y tamaño original cuando se retira la carga. Es de notar que en este caso se recobrará una parte de la deformación. En muchos usos, es inaceptable la deformación plástica, y por lo tanto se la identifica como un factor que limita al diseño. Luego del punto de límite elástico, los metales dúctiles presentan una zona de endurecimiento inducido por deformación, en cual la tensión se incrementa ante deformaciones crecientes, y el espécimen comienza a desarrollar un estrechamiento o cuello, en la cual la sección transversal del espécimen disminuye a causa de un flujo plástico. En un material suficientemente dúctil, cuando el estrechamiento es apreciable, se observa una inversión en la curva de tensión-deformación de ingeniería (curva A); esto se debe a que la tensión de ingeniería se calcula utilizando el área de la sección transversal del espécimen original antes de que se produjera el estrechamiento. El punto de inversión corresponde a la tensión máxima en la curva de tensión-deformación de ingeniería, y la coordenada de tensión de ingeniería en este punto es denominada la tensión última de rotura, mencionada en el punto 1. La tensión de rotura por lo general no se utiliza en el diseño de componentes estructurales estáticos dúctiles ya que las prácticas de diseño determinan utilizar el límite elástico. Sin embargo si se lo utiliza para control de calidad, ya que es fácil de medir. A veces se lo utiliza para tener una estimación preliminar del tipo de material a partir de una muestra desconocida

13. Curva de Tensión vs. Deformación típica del aluminio. 1. Tensión de rotura 2. Límite elástico 3. Límite de proporcionalidad 4. Fractura 5. Deformación en el punto de límite elástico (típica 0.2%) Curva de Tensión vs. Deformación típica de un acero estructural 1. Tensión de rotura 2. Límite elástico 3. Fractura 4. Región de endurecimiento inducido por deformación 5. Región del cuello A: Tensión de ingeniería B: Tensión verdadera

14. Esquema de la respuesta de una barra cilíndrica de metal a una fuerza de tracción de dirección opuesta a sus extremos.  (a) Fractura frágil.  (b) Fractura dúctil.  (c) Fractura totalmente dúctil

15. El trabajo en frío o labrado en frío es el proceso de esforzamiento o deformación de un material en la región plástica del diagrama esfuerzo, deformación, sin la aplicación deliberada de calor. El trabajo en frío hace referencia a todos aquellos procesos de Conformado realizado abaja temperatura generalmente ambiente, como son embutido, doblado, rolado, estirado, etc . Tiene un acabado brillante y bastante exacto. Mejora la resistencia y la maquinabilidad . El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. El trabajo en frío de los metales se realiza en o cerca de la temperatura ambiente para que la ventaja de una la resistencia a la cedencia reducida, o la presión del forjado, acompañada de elevadas temperaturas no están disponibles para ayudar en la operación de formado. Adicionalmente, los metales “con trabajo de endurecimiento”, es decir, que aumentan la resistencia a la cedencia, durante la deformación a bajas temperaturas, añaden aún más al trabajo necesario para alcanzar la forma deseada. Trabajo en frio

16. Las principales ventajas del trabajo en frío son: mejor precisión menores tolerancias mejores acabados superficiales posibilidades de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final mayor dureza de las partes. El trabajo en frío tiene algunas desventajas ya que requiere mayores fuerzas porque los metales aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación, produciendo que el esfuerzo requerido para continuar la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la resistencia, la reducción de la ductilidad y el aumento de la resistencia a la tensión limitan la cantidad de operaciones de formado que se puedan realizar a las partes.

17. La diferencia principal del trabajo en caliente y enfrío es la temperatura a la cual se realiza el proceso. En el trabajo en frío el material se trabaja a temperatura ambiente, pero el proceso como tal ocasiona calentamiento por fricción entre el equipo y la pieza, por lo que es común que el trabajo en frío alcance temperaturas hasta de 200 °C. Todos los metales son cristalinos por la naturaleza y están hechos de granos de forma irregular de varios tamaños. Cuando se trabaja en frío los cambios resultantes en la forma del material trae consigo marcas en la estructura de grano. Los cambios estructurales producen fragmentaciones del grano, movimientos de átomos y distorsión de la malla.

18. El embutido profundo es una extensión del prensado en la que a un tejo de metal, se le da una tercera dimensión considerable después de fluir a través de un dado. El prensado simple se lleva a cabo presionando un trozo de metal entre un punzón y una matriz, así como al indentar un blanco y dar al producto una medida rígida. Latas para alimentos y botes para bebidas, son los ejemplos más comunes.

19. Este proceso puede llevarse a cabo únicamente en frío. Cualquier intento de estirado en caliente, produce en el metal un cuello y la ruptura. El anillo de presión evita que el blanco se levante de la superficie del dado, dando arrugas radiales o pliegues que tienden a formarse en el metal fluyendo hacia el interior desde la periferia del orificio del dado . Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del material pasándolo entre un par de rodillos rotatorios. Los rodillos son generalmente cilíndricos y producen productos planos tales como láminas o cintas. También pueden estar ranurados o grabados sobre una superficie a fin de cambiar el perfil, así como estampar patrones en relieve. El laminado en frío se lleva a cabo por razones especiales, tales como la producción de buenas superficies de acabado o propiedades mecánicas especiales. Se lamina más metal que el total tratado por todos los otros procesos. El laminado se utiliza en los procesos de fabricación de los aceros, aluminio, cobre, magnesio, plomo, estaño, Zinc, y sus aleaciones. Casi todos los metales utilizados en la industria, han sufrido una laminación en alguna etapa de su conformación . En el caso más simple, el metal es comprimido entre martillo y un yunque y la forma final se obtiene girando y moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. Para producción en masa y el formado de secciones grandes, el martillo es sustituido por un martinete o dado deslizante en un bastidor e impulsado por una potencia mecánica, hidráulica o vapor. Un dispositivo utiliza directamente el empuje hacia abajo que resulta de la explosión en la cabeza de un cilindro sobre un pistón móvil.

20. La fractura se puede definir como la separación de un cuerpo en dos o más piezas bajo la acción de una carga, los componentes que rigen la fractura son: la iniciación de la grieta y su propagación, dependiendo del tipo de material en el que se presente la fractura, ésta se considera dúctil ó frágil. Fractura Hay grietas en todas las estructuras como resultado de defectos de fabricación o los diferentes tipos de carga. En caso de que la carga sea cíclica, algunas grietas pueden aparecer o propagarse como resultado de la fatiga del material. En las etapas finales de la propagación de grietas, la velocidad de la grieta crece muy rápido y se puede originar la falla en la estructura. El estudio de la mecánica de la fractura podría evitar esas fallas. La evolución de la mecánica de la fractura puede estudiarse a partir de al menos tres puntos de vista: analíticos, numéricos y experimentales.

21. Los orígenes de la mecánica de fractura pueden remontarse a un artículo publicado por A.A. Griffith (1920), en el cual demostró por primera vez que la resistencia real a la tensión de materiales frágiles era significativamente menor que la resistencia predicha teóricamente debido a la presencia de grietas. La contribución a menudo derivada del artículo de Griffith ha sido la ecuación que relaciona el esfuerzo de fractura con el tamaño de la grieta: Donde σ es la longitud de la grieta, γ la tensión superficial y E el módulo de Young . La idea principal de la obra de Griffith fue que la propagación de grietas se determina por la relación entre la energía de deformación y la energía superficial necesaria para la creación de las nuevas superficies al avanzar la grieta. Inglis proporcionó una expresión simple para el esfuerzo máximo en la punta de la muesca, la cual aún permanece en uso. El demostró que la ecuación del esfuerzo máximo presentaba la forma:

22. El segundo logro más importante en los fundamentos de Mecánica de la Fractura fue en 1957 debido a la introducción de los factores de intensidad de esfuerzos K cerca de la punta de la grieta : Donde r es la distancia desde la punta de la grieta. Irwin propuso la idea de una grieta de segmento recto, que tiene singularidades en los dos extremos y propone una generalización de la teoría de Griffith a una grieta arbitraria . Al mismo tiempo, introdujo un nuevo principio de la propagación de grietas que dice que una grieta se propagará si la tasa de la energía de deformación G es más grande que el trabajo crítico necesario para crear nuevas superficies de grietas . También hizo hincapié en que cualquier fractura puede ser descrita entérminos de los tres casos fundamentales de fractura: Modo I “ opening mode”Modo II “ sliding mode ” y Modo III “ the tearing case” figura 3.

23. Fractura dúctil y frágil El comportamiento general de los materiales bajo carga puede clasificarse como dúctil o frágil dependiendo de si o no el material exhibe la capacidad de someterse a deformación plástica. La figura 4 muestra la curva de esfuerzo-deformación de un material dúctil. Figura 4. curva esfuerzo-deformación de un material ductil , al final de la curva se presenta la fractura del material. Un material frágil se fractura casi en el limite elástico . Curva esfuerzo-deformación para un material completamente frágil

24. Una fractura dúctil se caracteriza por una apreciable deformación plástica durante la propagación de las grietas, en cambio las fracturas frágiles, en metales, se caracterizan por la rápida propagación de la grieta, sin ninguna deformación plástica . La fractura dúctil es común en los metales y en los polímeros, la fractura frágil se presenta en cerámicos y algunos metales a bajas temperaturas. Se le llama fractura transgranular cuando la grieta se propaga a través de los granos e intergranular cuando la propagación se efectúa a través de las fronteras de grano. Fractura frágil de un material metálico Fractura ductil

25. La fatiga de los materiales es un proceso de daño que se produce en los elementos mecánicos cuando se someten a cargas variables, incluso aunque estas sean varias veces inferiores a las que producirían la rotura ante una carga constante. Puede definirse como un proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que se produce en algún punto del material sujeto a condiciones que producen tensiones y deformaciones fluctuantes y que puede terminar en la aparición de grietas y la fractura completa después de un número suficiente de fluctuaciones . Ejemplos de fallos por fatiga se pueden encontrar en multitud de sistemas mecánicos. Desde los ferrocarriles hasta los aviones, barcos o muy diversos tipos de máquinas empleadas en la industria. En los últimos años son también frecuentes los fallos por fatiga en equipos electrónicos sometidos a variaciones de temperatura durante su funcionamiento. Los ciclos térmicos generan tensiones variables en los materiales, que producen un daño progresivo. Una característica de los fallos por fatiga es su espontaneidad, ya que normalmente se producen de forma repentina sin dar tiempo para tomar medidas que lo eviten, con las consecuencias catastróficas que puede tener en muchos casos. Una idea de la importancia del fenómeno nos la da el hecho de que aproximadamente tres de cada cuatro fallos mecánicos producidos en las máquinas y vehículos de distinto tipo son debidos a la fatiga.

26. Se dice que el proceso es permanente porque, excepto muy en sus inicios, no es posible reparar el material mediante algún tipo de tratamiento. Igualmente, el proceso es progresivo porque el daño aumenta al aumentar el número de ciclos de carga. El proceso se inicia normalmente en zonas muy localizadas en las que hay algún tipo de discontinuidad geométrica en el elemento, como son taladros, marcas producidas por un golpe o cambios de diámetro. Aunque lo determinante en el proceso son las tensiones y deformaciones producidas por las cargas aplicadas al elemento de que se trate, en lo que sigue, para simplificar, se utilizará el término "cargas" para referirnos a las solicitaciones que producen la fatiga . El número de fluctuaciones de la carga necesarios para producir la rotura del elemento depende del nivel de carga aplicado. Este puede ser desde varias decenas o centenas de ciclos, como ocurre cuando se intenta romper un alambre de poco diámetro doblándolo alternativamente en uno y otro sentido hasta su rotura, hasta cientos de miles o millones de ciclos, con niveles de carga más bajos. En general, en la mayoría de los materiales hay un nivel de tensiones generadas por las cargas, por debajo del cual no se produce daño por fatiga. Es lo que se conoce como límite de fatiga del material.

27. CONCLUSION Todas las características de los materiales son muy importantes de tomar en cuenta, pues estas definen la resistencia que tendrá dicho material a cada actividad especifica. Ademas , existen diferentes formas de transformar los materiales dependiendo de sus características, y conocer todas estas características nos impulsa a tener el mayor discernimiento al momento de la elección de un material

28. Bibliografía La deformación elástica dispoible en: https :// www.areatecnologia.com/materiales/deformacion-elastica.html Comportamiento mecanico de los materiales, disponible en: https :// www.u-cursos.cl/ingenieria/2007/2/ID42A/1/material_docente/bajar?id_material=147118 Deformacion plástica de los metales, disponible en: http:// psmprocesos.blogspot.com/2016/02/deformacion-plastica-de-los-metales.html Trabajo en frio disponible: https :// es.scribd.com/doc/90927248/TRABAJO-EN-FRIO Procesos de trabajos en frio, disponible en: https :// es.slideshare.net/skiperchuck/procesos-de-trabajo-en-frio : Fracturas en los materiales, disponible en : http:// eprints.uanl.mx/3689/1/1080256694.pdf