Aprenda todo sobre la fuerza del rendimiento

Piensa en una cuchara de metal. Si presiona ligeramente sobre la manija, se flexiona un poco pero se retrocede tan pronto como lo suelta. Sin embargo, presione más duro y la cuchara se adquiere una curva permanente. En ese momento, has pasado la fuerza de rendimiento de la cuchara. En este artículo, exploraremos qué significa la fuerza de rendimiento, cómo se compara con ideas relacionadas como la fuerza de la tracción y el límite elástico, y por qué importa en el mundo real. También analizaremos los factores que influyen en la resistencia del rendimiento y los valores típicos para los materiales comunes.

¿Qué es la fuerza de rendimiento?

La resistencia al rendimiento es el nivel de estrés en el que un material comienza a deformarse permanentemente. En términos simples, es el punto en el que un material deja de recuperarse (comportamiento elástico) y comienza a doblarse o estirarse de una manera que no se revertirá por completo. Debajo de la intensidad del rendimiento, cuando elimina la fuerza, el material regresa a su forma original (como un resorte que se remonta a su longitud).
Más allá de la resistencia al rendimiento, el material cambia para siempre: ha producido, lo que significa que ha sufrido deformación plástica.

Para comprender esto mejor, descompongamos dos términos clave: estrés y tensión. El estrés es la fuerza aplicada a un material dividido por su área de sección transversal, o simplemente la intensidad de la fuerza dentro del material. Puede pensar en ello como presión, pero el estrés describe la reacción interna en lugar de un empuje externo. La tensión es cuánto el material cambia el material en respuesta, calculado como el cambio en la longitud dividido por la longitud original. Cuando trazamos el estrés contra la tensión, obtenemos unCurva de tensión -tensiónEso muestra cómo se comporta el material a medida que aumenta la carga.

En la primera parte de una curva de tensión -deformación, los materiales se comportan elásticamente: el estrés y la tensión son proporcionales (una línea recta bajo la ley de Hooke), y el material regresa a su forma original una vez que se elimina la carga. El final de esta región es el límite elástico, más allá, cierta deformación sigue siendo permanente. La resistencia al rendimiento marca esta transición del comportamiento elástico al plástico y define el límite entre la deformación reversible e irreversible.

Para muchos metales dúctiles, como el acero suave, esta transición es gradual en lugar de aguda. Para definir la intensidad del rendimiento de manera consistente, los ingenieros a menudo usan el método de compensación del 0.2%: dibujan una línea paralela a la porción elástica de la curva pero cambiaban por tensión del 0.2%. El punto donde esta línea se cruza con la curva se toma como la resistencia del rendimiento. Esto proporciona una forma práctica y estandarizada de medir la resistencia del rendimiento, incluso cuando no existe un punto de rendimiento claro.

Resistencia al rendimiento versus resistencia a la tracción

Como hemos definido, la resistencia al rendimiento es el estrés en el que un material comienza a deformarse permanentemente. La resistencia a la tracción, a menudo llamada resistencia a la tracción final (UTS), es la tensión máxima que un material puede soportar antes de que se rompa. Una vez que se alcanza ese punto, el material ya no puede transportar una carga adicional, y la fractura pronto sigue.

Ambos describen cómo un material responde al estrés, pero representan diferentes límites: la resistencia al rendimiento marca el inicio de la deformación permanente, mientras que la resistencia a la tracción marca el punto de ruptura. Por ejemplo, al tirar de una varilla de acero, primero se extiende elásticamente. Empuje más allá de la fuerza de rendimiento, y adquiere alargamiento permanente. Continúe hasta que alcance la resistencia a la tracción, y la barra eventualmente se romperá.

En un diseño práctico, los ingenieros se centran más en la resistencia al rendimiento porque los componentes deben permanecer funcionales sin daños duraderos. La resistencia a la tracción sigue siendo importante, pero generalmente señala una condición de falla que nunca debe ocurrir en el servicio.

Además de la resistencia a la tracción, la fuerza del rendimiento también a menudo se confunde con otros dos conceptos:

Límite elástico:El límite elástico es el estrés máximo que un material puede tomar mientras regresa completamente a su forma original una vez que se retira la carga. Debajo de este límite, toda la deformación es elástica y reversible. En muchos casos, el límite elástico se encuentra muy cerca de la resistencia al rendimiento, por lo que los dos a menudo se tratan como lo mismo. Mientras que el límite elástico marca el límite físico preciso, la resistencia al rendimiento proporciona un valor de ingeniería estandarizado que se puede medir de manera consistente y utilizada para un diseño seguro.

Límite proporcional:Este término proviene de la parte lineal de la curva de tensión -deformación. El límite proporcional es el punto hasta el cual el estrés y la tensión aumentan en la proporción directa, luego de la ley de Hooke. Por lo general, ocurre antes del límite elástico y la resistencia al rendimiento. Más allá de este punto, la curva comienza a doblarse: la relación ya no es perfectamente lineal, aunque el material aún puede ser elástico.

Factores que influyen en la fuerza del rendimiento

La fuerza del rendimiento no permanece fija: puede cambiar dependiendo de varios factores materiales y ambientales. Estos son algunos de los más comunes:

Composición de material (elementos de aleación)

La composición de un metal tiene un gran impacto en su resistencia al rendimiento. En metales, agregar elementos de aleación puede hacerlos más fuertes. Por ejemplo, el acero gana la resistencia cuando se agregan elementos como el carbono, el manganeso o el cromo, aunque el carbono más alto también lo hace más frágil. Las aleaciones de aluminio obtienen su resistencia de elementos como cobre, magnesio o zinc. Estas adiciones crean pequeños obstáculos dentro del metal que bloquean el movimiento de dislocación (los portadores de nivel atómico de deformación plástica), lo que aumenta la resistencia al rendimiento. En pocas palabras, la "receta" de un metal puede hacer que sea más difícil o más fácil de doblar. Es por eso que el aluminio en una lata de refresco es suave y flexible, mientras que el aluminio en el ala de un avión, mezclado con otros metales, tiene una resistencia de rendimiento mucho mayor.

Tamaño de grano (microestructura)

En general, los granos más pequeños significan una mayor fuerza, una tendencia descrita por la relación Hall -Petch. La razón es que los límites de grano actúan como barreras para el movimiento de dislocación, por lo que los granos más finos crean más obstáculos y fortalecen el metal, hasta cierto punto. Los metalurgistas refinan el tamaño del grano a través de solidificación controlada o tratamientos termomecánicos. Por ejemplo, muchos aceros y superáctiles de alta resistencia están diseñados con granos muy finos para maximizar la resistencia al rendimiento, mientras que los metales con granos muy grandes tienden a producir más fácilmente.

Tratamiento térmico

La forma en que se calienta y enfría un metal puede cambiar su estructura y, por lo tanto, su resistencia de rendimiento.Recocido(Calefacción lenta y enfriamiento) suaviza el metal, reduce su resistencia al rendimiento y lo hace más dúctil aliviar las tensiones internas.Temple(El enfriamiento rápido en agua o aceite) bloquea la estructura en un estado duro y estresado, aumentando en gran medida la resistencia del rendimiento pero también haciendo que el metal sea frágil. Para restaurar el equilibrio, el enfriamiento a menudo es seguido portemplado,Un paso de recalentamiento moderado que mejora la dureza.

Al elegir el tratamiento térmico correcto, los fabricantes pueden hacer que los metales sean más difíciles o suaves según la aplicación. Por ejemplo, el acero de primavera se trata para lograr una alta resistencia al rendimiento, por lo que puede flexionarse sin deformarse, mientras que el alambre de acero se recoce primero para una fácil forma y luego se fortalece más tarde.

Proceso de fabricación (trabajo en frío)

La forma en que un material se procesa mecánicamente también puede cambiar su resistencia de rendimiento. El trabajo en frío (deformando un metal a temperatura ambiente, como el rodamiento en frío o el dibujo en frío) aumenta la resistencia al rendimiento a través de un mecanismo llamado endurecimiento del trabajo. Cuando deforma plásticamente un metal, introduce dislocaciones y enredos en su estructura cristalina, lo que hace que una mayor deformación sea más difícil; en efecto, el metal se vuelve más fuerte a medida que se deforma. Esta es la razón por la cual el acero enrollado en frío típicamente tiene mayor resistencia al rendimiento que el mismo acero en una condición en caliente (no endurecida por el trabajo).

Temperatura y medio ambiente

Como regla general, la mayoría de los metales pierden resistencia al rendimiento a altas temperaturas. El calor suaviza el metal, por lo que puede deformarse con menos fuerza. A temperaturas muy bajas, algunos materiales se vuelven más frágiles. Su capacidad para deformarse plásticamente se reduce, por lo que aunque el estrés de rendimiento puede aumentar en un sentido técnico, es más probable que se fracturen que el rendimiento.

Los factores ambientales como la corrosión o la radiación también pueden degradar los materiales. La corrosión crea pozos o reduce el área de la sección transversal, reduciendo efectivamente la carga que una estructura puede manejar antes de ceder. Por ejemplo, un haz de acero oxidado puede producir una carga más baja que una sin corrote porque su espesor efectivo se reduce y las microgrietas por el óxido pueden concentrar el estrés.

Resistencia a la resistencia de diferentes materiales

Las curvas de tensión -tensión proporcionan una manera simple de comparar cómo los diferentes materiales responden a la carga. En la figura anterior, podemos ver cuatro comportamientos típicos. Cada uno responde de manera diferente a medida que aumenta el estrés, y su fuerza de rendimiento refleja esas diferencias.

• Materiales frágiles:Los materiales frágiles, como el vidrio o la cerámica, casi no tienen deformación plástica. Siguen una línea casi recta hasta que de repente se fracturan. Su fuerza de rendimiento está muy cerca de su fuerza final, porque realmente no "ceden", se rompen.

• Materiales fuertes pero no dúctiles:Algunos materiales, como los aceros de alta resistencia, pueden soportar altas tensiones pero muestran una ductilidad limitada. Tienen una alta resistencia de rendimiento, lo que significa que resisten bien la deformación permanente, pero no se extienden mucho antes de romperse.

• Materiales dúctiles:Los metales como el acero suave y las aleaciones de aluminio son dúctiles. Reducen a un cierto nivel de estrés, luego sufren una deformación plástica significativa antes de romperse. Su resistencia de rendimiento es menor que la máxima resistencia a la tracción, lo que brinda a los ingenieros una "zona de amortiguación" segura para diseñar dentro.

• Materiales de plástico (polímeros blandos):Los plásticos y los polímeros blandos tienen una resistencia de rendimiento relativamente baja. Se deforman fácilmente bajo pequeñas tensiones y pueden no mostrar un punto de rendimiento claro. En cambio, se extienden constantemente sin mostrar una transición aguda a la fractura.

Estos comportamientos generales se vuelven más claros cuando observamos los valores de resistencia de rendimiento reales. La siguiente tabla enumera los materiales de ingeniería comunes y sus fortalezas de rendimiento típicas para la comparación.

Por qué el rendimiento de fuerza es importante en el mundo real

La resistencia al rendimiento es importante cada vez que necesitamos materiales para mantener su forma bajo carga. Aquí hay algunas áreas donde juega un papel fundamental:

Construcción e infraestructura

En edificios y puentes, se eligen vigas de acero y otras piezas de metal para su alta resistencia, por lo que pueden transportar cargas pesadas de vehículos, viento o incluso terremotos sin doblar ni flacidez. Si un haz cediera durante el uso normal, la seguridad de la estructura estaría en riesgo, por lo que los ingenieros siempre diseñan con un margen que mantiene tensiones muy por debajo del punto de rendimiento.

Seguridad automotriz

Los automóviles modernos usan zonas de riñamiento que están diseñadas para ceder de manera controlada durante un accidente. Cuando las fuerzas de impacto exceden la resistencia de rendimiento de los paneles delanteros o traseros, esas áreas arruinan y absorben energía a través de la deformación permanente, en lugar de pasar toda la fuerza a los pasajeros. Al mismo tiempo, la cabina está reforzada con materiales de mayor resistencia que resisten el rendimiento, manteniendo protegidos a los ocupantes.

Aeroespacial y transporte

El tren de aterrizaje de un avión debe resistir la conmoción del touchdown sin doblarse permanentemente. Los fuselajes y las alas también enfrentan ciclos de presurización repetidos y fuerzas aerodinámicas que causarían daños si sus materiales carecían de suficiente resistencia de rendimiento. Para equilibrar la fuerza con bajo peso, los ingenieros a menudo recurren a aleaciones avanzadas como el aluminio y el titanio. El mismo principio se aplica a los rieles de tren y los cascos de barcos, que deben permanecer rígidos bajo un uso intensivo y resistir curvas o abolladuras duraderas.

Productos cotidianos

Las herramientas de calidad, como las llaves o los destornilladores, están hechas de acero de alta resistencia al rendimiento para que no se doblen bajo un uso normal, mientras que las herramientas más baratas a menudo giran o toman una curva permanente una vez que el estrés excede su resistencia al rendimiento. La misma idea se puede ver en un colgador de capa simple: con las cargas de luz, se vuelve hacia atrás, pero las cargas más pesadas o las curvas afiladas lo empujan más allá de su punto de rendimiento, dejando un cambio permanente de forma. La resistencia al rendimiento también guía el diseño de elementos más grandes como los marcos de bicicleta, que deben transportar el peso del conductor y absorber las protuberancias sin doblarse fuera de forma, sin dejar de ser lo suficientemente ligeros como para manejar fácilmente.

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