La curva de tensión -tensión es uno de los gráficos más comunes que cumplirá en la ciencia introductoria de los materiales o la mecánica de los materiales. Aunque sus muchos puntos y regiones etiquetados pueden parecer desalentadores al principio, tanto la trazado como el dominio del estrés versus la tensión son bastante sencillos. En este artículo, exploraremos la curva de tensión -deformación en detalle para que pueda entenderlo mejor.
Pero antes de comenzar, primero revisemos las respuestas a estas preguntas:
1. ¿Por qué definir las propiedades de un material con tensión -deformación en lugar de fuerza -desplazamiento?
Las curvas de fuerza -desplazamiento dependen del tamaño y la forma de una muestra: una muestra más gruesa o más larga requiere más fuerza (y sufre un desplazamiento diferente) incluso si es el mismo material. En otras palabras, la fuerza y el desplazamiento son propiedades extrínsecas vinculadas a la geometría.
2. ¿Qué es el estrés?
Cuando se aplica una carga externa F a un componente continuo y deformable en el equilibrio estático, el componente se deforma y desarrolla fuerzas internas F 'que se oponen exactamente a la carga aplicada para mantener el equilibrio. Suponiendo que F se distribuye uniformemente sobre un área de sección transversal A, la fuerza de resistencia interna por unidad de área se conoce como estrés y puede expresarse como:
El estrés tiene unidades de presión (PA o N/m²) y representa la fuerza interna promedio por unidad que resiste la deformación. Esteestrés de ingenieríaLa fórmula asume una distribución de tensión uniforme; Para grandes deformaciones o carga altamente no uniforme, useestrés verdadero(Basado en el área instantánea) o el tensor de estrés completo para el análisis preciso.
3. ¿Qué es la tensión?
Bajo una carga aplicada, el material se deforma. Para comparar la deformación entre especímenes de diferentes tamaños y formas, los científicos introducen una medida no dimensional llamada cepa, que cuantifica el alargamiento relativo.
Para un elemento con longitud original l0y cambio de longitud Δl, eltensión de ingenieríase define como:
La cepa de ingeniería es simple y precisa para pequeñas deformaciones (generalmente hasta ~ 5%). Para grandes deformaciones, como en la formación de metales o FEA no lineal, usacepa verdadera (logarítmica), que explica la longitud de cambio continuo:
¿Cuál es la curva de tensión-deformación?
Una curva de tensión-deformación muestra cómo un material se comporta bajo carga, lo que proporciona información sobre la resistencia, la rigidez, la ductilidad y los límites de falla del material.
¿Cómo se mide la curva de tensión - deformación?
Por lo general, se mide mediante una prueba de tracción uniaxial destructiva: una muestra estandarizada de "hueso de perro" o de varilla recta se agarra en una máquina de prueba universal (UTM). La máquina aplica la carga a una velocidad constante controlada hasta que la muestra falle. Durante este proceso, la celda de carga del UTM mide la fuerza de tracción F, mientras que un extensómetro (o sistema de video/DIC) registra la deformación axial sobre la longitud del medidor definido. La fuerza versus el desplazamiento, y por lo tanto, el estrés de ingeniería versus la tensión de ingeniería, se registra continuamente. Finalmente, convierte la fuerza en estrés (σ = f/a0) y desplazamiento a la tensión (ε = ΔL/L0), Luego traza σ en el eje vertical versus ε en el eje horizontal para generar la curva de tensión -deformación.
Etapas de una curva de tensión-deformación
Las curvas de tensión -deformación para materiales dúctiles consisten en múltiples secciones que reflejan cómo el material responde a medida que aumenta el estrés. Las curvas para materiales frágiles, por el contrario, son mucho más simples, típicamente una línea recta hasta la fractura. A continuación, nos centraremos en el comportamiento de tensión -deformación de los materiales dúctiles.
Hay tres etapas principales y cinco puntos clave en la curva:
Tres etapas
Deformación elástica: En la parte inicial de la curva, el estrés y la tensión son perfectamente proporcionales, siguiendo la ley de Hooke. Aquí el material se comporta como un resorte: termine la carga y vuelve a su forma original. La pendiente de esta región lineal es el módulo de Young, que cuantifica la rigidez del material.
Endurecimiento de la tensión: Después del punto de rendimiento, y cualquier breve caída de estrés o meseta en algunos aceros, el material entra en la etapa de endurecimiento por cepas. La deformación plástica continúa de manera uniforme a lo largo de la longitud del medidor, y el metal se hace más fuerte a medida que las dislocaciones se acumulan e interactúan, lo que dificulta aún más el deslizamiento. En consecuencia, el estrés requerido para seguir deformando la muestra aumenta hasta que alcanza elresistencia a la tracción definitiva.
Besuqueo: Una vez que el material alcanza su máxima resistencia a la tracción, los extremos de deformación uniforme y un "cuello" se forma en una región. A partir de ese momento, se necesita menos fuerza para empujar un mayor flujo de plástico en el cuello, por lo que el estrés de ingeniería (aún usando el área de sección transversal original) cae hasta que la muestra finalmente se fractura.
Cinco puntos clave
Límite proporcional: El final de la porción lineal en la curva de tensión-deformación del que se puede sacar el módulo de Young calculando la pendiente.
Límite elástico: El estrés más alto en el que la deformación aún es completamente recuperable. En metales, casi coincide con el límite proporcional.
Punto de rendimiento (resistencia al rendimiento): El estrés en el que comienza la deformación permanente. Se encuentra dibujando una línea paralela a la porción inicial (elástica) de la curva pero compensada por tensión 0.2%; La intersección de esa línea con la curva de tensión -deformación define la resistencia al rendimiento.
Resistencia a la tracción definitiva:El máximo estrés de ingeniería en la curva. Más allá de esto, comienza el cuello. (Nota: el estrés verdadero continúa aumentando hasta la fractura).
Punto de fractura (ruptura):El final de la curva, donde finalmente se rompe el material.
Otras propiedades del material de la curva de tensión -deformación
Módulo de resiliencia:El área bajo la porción elástica de la curva de tensión -deformación, que representa la energía por unidad de volumen, un material puede absorber y liberar sin deformación permanente. Es un parámetro clave para diseñar resortes, estructuras dignas de choques y cualquier componente que debe almacenar y devolver la energía elásticamente.
Tenacidad:El área total bajo la curva de tensión -deformación, que cuantifica la energía por unidad de volumen, un material puede absorber antes de fracturarse. La tenacidad guía la selección de materiales para aplicaciones resistentes al impacto y choque, como estructuras de choque automotriz y armadura balística.
Ductilidad:Medido por el alargamiento en la ruptura (el aumento porcentual en la longitud del medidor a la fractura) y la reducción del área (la disminución porcentual en el área transversal en la fractura), la ductilidad mide cuánto material puede deformarse plásticamente antes de fallar. La alta ductilidad es ventajosa para formar operaciones, mientras que la baja ductilidad indica un mayor riesgo de fractura frágil.
Endurecimiento del trabajo (endurecimiento por deformación):Después del rendimiento, el estrés de flujo verdadero sigue aumentando con tensión plástica en la región de plástico uniforme; Esta propagación de fortalecimiento se esfuerza más uniformemente, retrasa el cuello (mayor alargamiento uniforme) y mejora la formación de metales (estampado, rodamiento, dibujo profundo) y precisión de FEA para el retroceso y el adelgazamiento.
Curvas de tensión versus de deformación para diferentes materiales
Estrés vs tensiónLas curvas varían ampliamente entre las familias materiales. Pueden dividirse ampliamente en dos categorías, conductiles y frágiles, como se ilustra en la figura a continuación.
Los materiales dúctiles, como el acero bajo en carbono, las aleaciones de aluminio, el cobre y muchos termoplásticos, tienen una curva de tensión-deformación de la etapa múltiple: una región lineal inicial (elástica), un punto de rendimiento claro, una región de endurecimiento por cepas (plástico uniforme), cuellas y finalmente fractura después de la elongación sustancial. Pueden absorber grandes cantidades de energía antes de la falla.
Los materiales frágiles, como el hierro fundido, la mayoría de las cerámicas, el vidrio y el concreto, muestran un comportamiento elástico casi puramente lineal hasta fracturas prácticamente sin región plástica, por lo que su límite proporcional, la resistencia a la tracción final y la resistencia a la fractura coinciden.
Tenga en cuenta que las curvas que se muestran arriba representan solo aquellas condiciones específicas del material. El comportamiento real de estrés -deformación puede variar significativamente con la composición, el tratamiento térmico, la microestructura, la temperatura, la velocidad de deformación y otros parámetros de prueba o procesamiento.
Ingeniería versus estrés y tensión verdaderos
Ingeniería y verdaderas curvas de estrés-tensión son las dos formas más comunes de presentar datos de prueba de tracción.
Estrés de ingeniería -defensa
En una prueba de tracción estándar, asumimos que la sección transversal del espécimen permanece en su área original A0. Por lo tanto, el estrés de ingeniería se define como:
y tensión de ingeniería como:
A medida que aplica la carga, la curva se eleva linealmente a través de la región elástica, luego continúa más allá del punto de rendimiento en una deformación plástica uniforme, alcanzando su pico con la resistencia a la tracción final, marcando el final del alargamiento uniforme. Más allá de este pico, el cuello concentra la deformación en una sección de estrechamiento. Porque el estrés de ingeniería aún se divide en el área original A0, el valor del estrés trazado cae incluso cuando el verdadero estrés (basado en el área reducida) continúa subiendo. En consecuencia, la curva de ingeniería （que se muestra en rojo en la figura） cae después de UTS y tendencias hacia abajo hasta la fractura.
Verdadero estrés -deformación
Si tiene en cuenta el área instantánea aiEn cada paso de carga, obtienes un verdadero estrés:
y cepa verdadera (logarítmica):
Durante el cuello, el área de la sección transversal disminuye más rápido que la carga aplicada cae, por lo que σTcontinúa subiendo más allá de la ingeniería final de la tracción. Por lo tanto, la verdadera curva de tensión -deformación aumenta constantemente hasta la fractura sin caer después de su pico.
El estrés de ingeniería y la tensión son los datos estándar reportados en las hojas de datos del material y se usan en códigos de diseño. Dan un acceso rápido a propiedades familiares como la resistencia al rendimiento, la resistencia a la tracción final y el alargamiento en el descanso, lo que facilita la comparación de materiales, establece factores de seguridad y garantiza un control de calidad constante en los lotes de producción.
El estrés y la tensión verdaderos son entradas críticas para análisis de elementos finitos no lineales y modelos constitutivos. Al reflejar la respuesta material real a través de grandes cepas plásticas y en el cuello, permiten una simulación precisa de los procesos de formación (por ejemplo, estampado, forja, extrusión), predicciones precisas de retroceso y pronósticos confiables de dónde y cómo una parte se localizará y finalmente fallará.
Conclusión
La curva de tensión -deformación es una herramienta indispensable que vincula el comportamiento del material con el rendimiento estructural. Informa el diseño al proporcionar un módulo elástico, resistencia al rendimiento, dureza y datos de ductilidad utilizados para dimensionar y calificar componentes. También guía la fabricación definiendo la ruta de tensión -deformación necesaria para calcular las fuerzas de formación, la geometría de las herramientas y el resorte esperado.
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