Deformacion y resistencia de los materiales

Deformación de
los materiales

Las Deformaciones del Material pertenecen al grupo de
las denominadas lesiones mecánicas. Son consecuencia de
procesos mecánicos, a partir de fuerzas externas o
internas que afectan a las características
mecánicas de los elementos constructivos. En el caso de
las deformaciones, son una primera reacción del elemento a
una fuerza externa, al tratar de adaptarse a ella.

La mecánica de los sólidos deformables
estudia el comportamiento de los cuerpos sólidos
deformables ante diferentes tipos de situaciones como la
aplicación de cargas o efectos térmicos. Estos
comportamientos, más complejos que el de los
sólidos rígidos, se estudian en mecánica de
sólidos deformables introduciendo los conceptos de
deformación y de tensión mediante sus aplicaciones
de deformación.Una aplicación típica de la
mecánica de sólidos deformables es determinar a
partir de una cierta geometría original de sólido y
unas fuerzas aplicadas sobre el mismo, si el cuerpo cumple
ciertos requisitos de resistencia y rigidez. Para resolver ese
problema, en general es necesario determinar el campo de
tensiones y el campo de deformaciones del
sólido.

Se tiene la siguiente clasificación para el
comportamiento de la deformación de materiales:

• Comportamiento elástico, se da cuando
  un sólido se deforma adquiriendo mayor energía
  potencial elástica y, por tanto, aumentando su
  energía interna sin que se produzcan transformaciones
  termodinámicas irreversibles. La característica
  más importante del comportamiento elástico es
  que es reversible: si se suprimen las fuerzas que provocan la
  deformación el sólido vuelve al estado inicial
  de antes de aplicación de las cargas. Dentro del
  comportamiento elástico hay varios
  subtipos:

• Elástico lineal isótropo,
  como el de la mayoría de metales no deformados en
  frío bajo pequeñas deformaciones.

• Elástico lineal no-isótropo,
  la madera es material ortotrópico que es un caso
  particular de no-isotropía.

• Elástico no-lineal, ejemplos de
  estos materiales elásticos no lineales son la goma, el
  caucho y el hule, también el hormigón o
  concreto para esfuerzos de compresión pequeños
  se comporta de manera no-lineal y aproximadamente
  elástica.

• Comportamiento plástico: aquí
  existe irreversibilidad; aunque se retiren las fuerzas bajo
  las cuales se produjeron deformaciones elásticas, el
  sólido no vuelve exactamente al estado
  termodinámico y de deformación que tenía
  antes de la aplicación de las mismas. A su vez los
  subtipos son:

• Plástico puro, cuando el material
  "fluye" libremente a partir de un cierto valor de
  tensión.

• Plástico con endurecimiento, cuando
  para que el material acumule deformación
  plástica es necesario ir aumentando la
  tensión.

• Plástico con
  ablandamiento.

• Comportamiento viscoso: que se produce cuando
  la velocidad de deformación entra en la
  ecuación constitutiva, típicamente para
  deformar con mayor velocidad de deformación es
  necesario aplicar más tensión que para obtener
  la misma deformación con menor velocidad de
  deformación pero aplicada más tiempo.
  Aquí se pueden distinguir los siguientes
  modelos:

• Visco-elástico, en que las
  deformaciones elásticas son reversibles. Para
  velocidades de deformaciones arbitrariamente pequeñas
  este modelo tiende a un modelo de comportamiento
  elástico.

• Visco-plástico, que incluye tanto el
  desfasaje entre tensión y deformación por
  efecto de la viscosidad como la posible aparición de
  deformaciones plásticas irreversibles.

Resistencia de los
materiales

La resistencia de materiales es el estudio de las propiedades
de los cuerpos sólidos que les permite resistir la
acción de las fuerzas externas, el estudio de las fuerzas
internas en los cuerpos y de las deformaciones ocasionadas por
las fuerzas externas.

Se ocupa del estudio de los efectos causados por la
acción de las cargas externas que actúan sobre un
sistema deformable. Propiedades mecánicas de los
materiales: cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, se
presentan fuerzas resistentes en las fibras del cuerpo que
llamaremos fuerzas internas. Fuerza interna es la resistencia
interior de un cuerpo a una fuerza externa. Cuando usamos el
término esfuerza, queremos decir la magnitud de la fuerza
por unidad de área.

Comportamiento de los
materiales elásticos

El límite elástico, es la tensión
máxima que un material elástico puede soportar sin
sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones
superiores a este límite, el material experimenta
deformaciones permanentes y no recupera su forma original al
retirar las cargas.

La propiedad elástica de los materiales
está relacionada, como se ha mencionado, con la capacidad
de un sólido de sufrir transformaciones
termodinámicas reversibles e independencia de la velocidad
de deformación (los sólidos viscoelásticos y
los fluidos, por ejemplo, presentan tensiones dependientes de la
velocidad de deformación). Cuando sobre un sólido
deformable actúan fuerzas exteriores y éste se
deforma se produce un trabajo de estas fuerzas que se almacena en
el cuerpo en forma de energía potencial elástica y
por tanto se producirá un aumento de la energía
interna. El sólido se comportará
elásticamente si este incremento de energía puede
realizarse de forma reversible, en este caso se dice que el
sólido es elástico.

Un caso particular de sólido elástico se
presenta cuando las tensiones y las deformaciones están
relacionadas linealmente. Cuando eso sucede si dice que el
sólido es elástico lineal. La teoría de la
elasticidad lineal es el estudio de sólidos
elásticos lineales sometidos a pequeñas
deformaciones de tal manera que además los desplazamientos
y deformaciones sean "lineales", es decir, que las componentes
del campo de desplazamientos u sean muy aproximadamente
una combinación lineal de las componentes del tensor
deformación del sólido. En general un sólido
elástico lineal sometido a grandes desplazamientos no
cumplirá esta condición.

Fractura

Es la separación de un sólido bajo
tensión en dos o más piezas.La ductilidad es la
habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse. Es
una característica muy importante en el diseño
estructural, puesto que un material dúctil es usualmente
muy resistente a cargas de impacto. Tiene además la
ventaja de "avisar" cuando va a ocurrir la fractura, al hacerse
visible su gran deformación; mientras que, la fragilidades
lo opuesto de ductilidad. Cuando un material es frágil no
tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en
carga estática sin previo aviso.

Las fracturas por tensión pueden
clasificarse en cuanto a forma, textura y color. Los tipos de
fractura, en lo respectivo a la forma, son simétricos:
cono y copa, planos e irregulares. Varias descripciones de la
textura son: sedosa, grano fino, grano grueso o granular, fibrosa
o astillable, cristalina, vidriosa y mate.

En general, la fractura metálica
puede clasificarse en dúctil y frágil. La fractura
dúctil ocurre después de una intensa
deformación plástica y se caracteriza por una lenta
propagación de la grieta. La fractura frágil se
produce a lo largo de planos cristalográficos llamados
planos de fractura y tiene una rápida propagación
de la grieta.

• Fractura dúctil:Esta
  fractura ocurre bajo una intensa deformación
  plástica.

La fractura dúctil comienza con la
formación de un cuello y la formación de cavidades
dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se
fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga
hacia la superficie en dirección perpendicular a la
tensión aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la
grieta cambia su dirección a 45° con respecto al eje
de tensión y resulta una fractura de cono y
embudo.

• Fractura frágil:La fractura
  frágil tiene lugar sin una apreciable
  deformación y debido a una rápida
  propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo
  largo de planos cristalográficos específicos
  denominados planos de fractura que son perpendiculares a la
  tensión aplicada.

Superficies dejadas por diferentes tipos de
fractura.

a) Fractura dúctil.

b) Fractura moderadamente
dúctil.

c) Fractura frágil sin
deformación plástica

La mayoría de las fracturas frágiles son
transgranulares o sea que se propagan a través de los
granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona
de debilidad, es posible que la fractura se propague
intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas
deformaciones favorecen la fractura frágil.

Ciertos materiales se identifican efectivamente por sus
fracturas. El acero suave en forma de una probeta
cilíndrica normal usualmente presenta un tipo de fractura
de cono y copa de textura sedosa. El hierro forjado presenta una
fractura dentada y fibrosa, mientras que la fractura
típica del hierro fundido es gris, plana y granular. Un
examen de la fractura puede arrojar una pista posible de los
valores bajos de la resistencia o la ductilidad de la probeta. La
carga no axial causara tipos asimétricos. La falta de
simetría puede también ser causada por la
heterogeneidad del material o un defecto o una falla de alguna
clase, tal como la segregación, una burbuja, o una
inclusión de material extraña, tal como la
segregación, una burbuja, o una inclusión de
material extraña, tal como la escoria. Sobre la superficie
fracturada del material que haya sido trabajado en fió o
posea una condición de esfuerzo interno, debida a ciertos
tratamientos térmicos, frecuentemente existe una
apariencia de rayos o vetas que irradian de algún punto
cercano al centro de la sección; esta ocasionalmente es
denominada "fractura de estrella". Una descripción de la
fractura debe incluirse en cada informe de ensayo, aun cuando su
valor sea incidental para las fracturas normales.

Fundiciones

Se denomina fundición y también esmelter
al proceso de fabricación de piezas, comúnmente
metálicas pero también de plástico,
consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad,
llamada molde, donde se solidifica.

El proceso más tradicional es la fundición
en arena, por ser ésta un material refractario muy
abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere
cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que
posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el
metal fundido.

La fundición en arena consiste en colar un metal
fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce,
latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y
posteriormente romper el molde para extraer la pieza
fundida.

Para la fundición con metales como el hierro o el
plomo, que son significativamente más pesados que el molde
de arena, la caja de moldeo es a menudo cubierta con una chapa
gruesa para prevenir un problema conocido como
"flotación del molde", que ocurre cuando la
presión del metal empuja la arena por encima de la cavidad
del molde, causando que el proceso no se lleve a cabo de forma
satisfactoria.

Otro proceso de fundición es la colada o vaciado
es uno de los procesos más antiguos que se conocen para
trabajar los metales, es el proceso que da forma a un objeto al
entrar material líquido en una cavidad formada en un
bloque de arena aglomerada u otro material que se llama molde y
dejar que se solidifique el líquido.En casi todos los
hogares y oficinas hay numerosos objetos hechos por colada o
moldeo. El automóvil normal emplea una gran variedad de
piezas de diferentes materiales, hechas con diversos
procedimientos de colado o vaciado.

Colada continua es un procedimiento con el
que se producen barras que avanzan y se solidifican a medida que
se va vertiendo el metal líquido en una lingotera sin
fondo que se alimenta indefinidamente.Con este proceso se pueden
formar, directamente del acero líquido, secciones
semiacabadas sin tener que pasar por la fase de lingote y las
etapas de recalentamiento y de laminación de
desbaste.

Autor:

Ana Ramírez T.

Jorley López.

Ángel Manzanillo.

Danilo Portillo.

República Bolivariana de
Venezuela.

Ministerio Popular la Educación
Superior.

Instituto Universitario Politécnico
Santiago Mariño.

Maracaibo- Edo. Zulia.

Maracaibo; 1 de febrero de 2013