Deformación
Cuando se presenta el esfuerzo, la deformación también será un factor. En este artículo se discutirán los dos tipos de deformación.
Definición de Deformación
En el uso del metal para propósitos de ingeniería mecánica, un estado dado de esfuerzo generalmente existe en un volumen considerable del material. La reacción de la estructura atómica se manifestará a escala macroscópica. Por lo tanto, siempre que se aplique un esfuerzo (por pequeño que sea) a un metal, debe producirse un cambio dimensional proporcional o distorsión.
Dicho cambio dimensional proporcional (intensidad o grado de la distorsión) se llama deformación y se mide como la elongación total por unidad de longitud del material debido a algún esfuerzo aplicado. La ecuación a continuación ilustra esta proporción o distorsión.
donde:
ε = deformación (in./in.)
δ = elongación total (in.)
L = longitud original (in.)
Note que las unidades métricas equivalentes en el SI a pulgadas son el milímetro, centímetro y metro.
Tipos de Deformación
La deformación puede tomar dos formas: deformación elástica y deformación plástica.
Deformación Elástica
La deformación elástica es un cambio dimensional transitorio que existe solo mientras se aplica el esfuerzo inicial y desaparece inmediatamente al eliminar el esfuerzo. La deformación elástica también se llama deformación elástica. Los esfuerzos aplicados hacen que los átomos en un cristal se muevan de su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan los esfuerzos, todos los átomos regresan a sus posiciones originales y no ocurre deformación permanente.
Deformación Plástica
La deformación plástica (o deformación plástica) es un cambio dimensional que no desaparece cuando se elimina el esfuerzo inicial. Generalmente se acompaña de algo de deformación elástica.
El fenómeno de la deformación elástica y la deformación plástica en un material se llama elasticidad y plasticidad, respectivamente.
A temperatura ambiente, la mayoría de los metales tienen algo de elasticidad, que se manifiesta tan pronto como se aplica el más mínimo esfuerzo. Por lo general, también poseen algo de plasticidad, pero esto puede no ser evidente hasta que el esfuerzo se haya incrementado considerablemente. La magnitud de la deformación plástica, cuando aparece, es probable que sea mucho mayor que la de la deformación elástica para un incremento de esfuerzo dado. Los metales tienden a exhibir menos elasticidad y más plasticidad a temperaturas elevadas. Algunos metales puros no aleados (notablemente aluminio, cobre y oro) muestran poca o ninguna elasticidad cuando se someten a esfuerzo en la condición recocida (calentados y luego enfriados lentamente para evitar la fragilidad) a temperatura ambiente, pero sí exhiben una plasticidad notable. Algunos metales no aleados y muchas aleaciones tienen una elasticidad notable a temperatura ambiente, pero no plasticidad.
El estado de esfuerzo justo antes de que comience a aparecer la deformación plástica se conoce como el límite proporcional, o límite elástico, y se define por el nivel de esfuerzo y el valor correspondiente de la deformación elástica. El límite proporcional se expresa en libras por pulgada cuadrada en unidades imperiales, o Newton por metro cuadrado en unidades métricas. Para intensidades de carga más allá del límite proporcional, la deformación consiste en deformaciones tanto elásticas como plásticas.
Como se mencionó anteriormente en este artículo, la deformación mide el cambio dimensional proporcional sin carga aplicada. Dichos valores de deformación se determinan fácilmente y solo dejan de ser suficientemente precisos cuando la deformación plástica se vuelve dominante.
Cuando el metal experimenta deformación, su volumen permanece constante. Por lo tanto, si el volumen permanece constante a medida que la dimensión cambia en un eje, entonces las dimensiones de al menos otro eje también deben cambiar. Si una dimensión aumenta, otra debe disminuir. Por ejemplo, una forma puede cambiar de corta y ancha a larga y delgada, pero el volumen permanece igual. Hay algunas excepciones. Por ejemplo, el endurecimiento por deformación implica la absorción de energía de deformación en la estructura del material, lo que resulta en un aumento en una dimensión sin una disminución compensatoria en otras dimensiones. Esto hace que la densidad del material disminuya y el volumen aumente.
Si se aplica una carga de tracción a un material, el material se alargará en el eje de la carga (perpendicular al plano de esfuerzo de tracción), como se ilustra en la imagen a continuación (Tensión). Por el contrario, si la carga es compresiva, la dimensión axial disminuirá, como se ilustra en la imagen a continuación (Compresión). Si el volumen es constante, debe ocurrir una contracción o expansión lateral correspondiente. Este cambio lateral tendrá una relación fija con la deformación axial. La relación, o razón, de la deformación lateral a la axial se llama coeficiente de Poisson en honor al nombre de su descubridor. Generalmente se simboliza con la letra ν.
Cambio de Forma del Cilindro Bajo Esfuerzo
Deformación de Estructuras Cúbicas
Si un material puede deformarse plásticamente a bajos esfuerzos aplicados depende de su estructura de red. Es más fácil que los planos de átomos se deslicen entre sí si esos planos están densamente empaquetados. Por lo tanto, las estructuras de red con planos densamente empaquetados permiten más deformación plástica que aquellas que no están densamente empaquetadas. Además, las estructuras de red cúbicas permiten que el deslizamiento ocurra más fácilmente que las redes no cúbicas; esto se debe a su simetría que proporciona planos densamente empaquetados en varias direcciones. La mayoría de los metales están compuestos de cristales cúbicos centrados en el cuerpo (BCC), cúbicos centrados en la cara (FCC) o hexagonales compactos (HCP). Una estructura cristalina cúbica centrada en la cara se deformará más fácilmente bajo carga antes de romperse que una estructura cúbica centrada en el cuerpo.
La red BCC, aunque cúbica, no está densamente empaquetada y forma metales fuertes. El hierro α (una forma de hierro llamada hierro 'alfa') y el tungsteno tienen la forma BCC. La red FCC es tanto cúbica como densamente empaquetada y forma materiales más dúctiles. La plata, el oro y el plomo tienen estructura FCC. Finalmente, las redes HCP están densamente empaquetadas, pero no son cúbicas. Los metales HCP como el cobalto y el zinc no son tan dúctiles como los metales FCC.
Resumen
La información importante en este capítulo se resume a continuación.
Resumen de Deformación
- Deformación es el cambio dimensional proporcional, o la intensidad o grado de distorsión, en un material bajo esfuerzo.
- Deformación plástica es el cambio dimensional que no desaparece cuando se elimina el esfuerzo inicial.
- Límite proporcional es la cantidad de esfuerzo justo antes del punto (umbral) en el que comienza a aparecer la deformación plástica, o el nivel de esfuerzo y el valor correspondiente de la deformación elástica.
- Hay dos tipos de deformación:
Deformación elástica es un cambio dimensional transitorio que existe solo mientras se aplica el esfuerzo inicial y desaparece inmediatamente al eliminar el esfuerzo.
Deformación plástica (deformación plástica) es un cambio dimensional que no desaparece cuando se elimina el esfuerzo inicial.