Estrés
Cualquier componente, sin importar su simplicidad o complejidad, debe transmitir o soportar una carga mecánica de algún tipo. La carga puede ser de los siguientes tipos: una carga que se aplica de manera constante ("carga muerta"); una carga que fluctúa, con cambios lentos o rápidos en magnitud ("carga viva"); una carga que se aplica de repente (“carga de choque”); o una carga debida a un impacto. El estrés es una forma de carga que puede aplicarse a un componente.
Definición de Estrés
Cuando un metal está sometido a una carga (fuerza), se distorsiona o deforma, independientemente de la resistencia del metal o la ligereza de la carga. Si la carga es pequeña, la distorsión probablemente desaparecerá al retirar la carga. La intensidad, o grado, de distorsión se conoce como deformación. Si la distorsión desaparece y el metal vuelve a sus dimensiones originales al retirar la carga, la deformación se llama deformación elástica. Si la distorsión persiste y el metal permanece deformado, el tipo de deformación se llama deformación plástica. La deformación se discute con más detalle en otro artículo de saVRee.
Cuando se aplica una carga al metal, la estructura atómica en sí se deforma, siendo comprimida, deformada o extendida en el proceso. Los átomos que componen un metal están dispuestos en un patrón geométrico específico para ese metal o aleación particular, y se mantienen en ese patrón por fuerzas interatómicas. Cuando están así dispuestos, los átomos están en su estado de energía mínima y tienden a permanecer en ese arreglo. Se debe realizar trabajo sobre el metal (es decir, se debe agregar energía) para distorsionar el patrón atómico (el trabajo es igual a la fuerza por la distancia que se mueve la fuerza).
Estrés es la resistencia interna, o contrafuerza, de un material a los efectos distorsionantes de una fuerza o carga externa. Estas contrafuerzas tienden a devolver los átomos a sus posiciones normales. La resistencia total desarrollada es igual a la carga externa. Esta resistencia se conoce como estrés.
Aunque es imposible medir la intensidad de este estrés, se puede medir la carga externa y el área a la que se aplica. El estrés (σ) se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como se muestra en la ecuación a continuación.
donde:
σ = estrés (psi o lbs de fuerza por in.2)
F = fuerza aplicada (lbs)
A = área de sección transversal (in.2)
Nota
La unidad imperial de fuerza es libra-fuerza (lbf), que es diferente a libra-masa (lb) dependiendo del efecto de la gravedad. En el planeta Tierra, la libra-fuerza es casi exactamente la misma que la libra-masa. Para simplificar, se utilizarán unidades de libra-masa (lb) para todos los cálculos mostrados.
La unidad métrica SI de fuerza es el Newton. El estrés se expresa en Newtons por metro cuadrado (N/m2).
Tipos de Estrés
Los esfuerzos ocurren en cualquier material que esté sujeto a una carga o cualquier fuerza aplicada. Hay muchos tipos de esfuerzos, pero todos pueden clasificarse generalmente en una de seis categorías: esfuerzos residuales, esfuerzos estructurales, esfuerzos de presión, esfuerzos de flujo, esfuerzos térmicos y esfuerzos de fatiga.
Esfuerzos Residuales
Los esfuerzos residuales se deben a los procesos de fabricación que dejan esfuerzos en un material. La soldadura deja esfuerzos residuales en los metales soldados.
Esfuerzos Estructurales
Los esfuerzos estructurales son esfuerzos producidos en los miembros estructurales debido a los pesos que soportan. Los pesos proporcionan las cargas. Estos esfuerzos se encuentran en los cimientos y estructuras de edificios, así como en partes de maquinaria.
Esfuerzos de Presión
Los esfuerzos de presión son esfuerzos inducidos en recipientes que contienen materiales presurizados. La carga es proporcionada por la misma fuerza que produce la presión.
Esfuerzos de Flujo
Los esfuerzos de flujo ocurren cuando una masa de fluido en movimiento induce una presión dinámica en la pared de un conducto. La fuerza del fluido que golpea la pared actúa como la carga. Este tipo de esfuerzo puede aplicarse de manera inestable cuando las tasas de flujo fluctúan. Un escenario de golpe de ariete es un ejemplo de un esfuerzo de flujo transitorio.
Esfuerzos Térmicos
Los esfuerzos térmicos existen siempre que hay gradientes de temperatura en un material. Diferentes temperaturas producen diferentes expansiones y someten a los materiales a esfuerzos internos. Este tipo de esfuerzo es particularmente notable en mecanismos que operan a altas temperaturas y son enfriados por un fluido frío.
Esfuerzos de Fatiga
Los esfuerzos de fatiga se deben a la aplicación cíclica de un esfuerzo. Los esfuerzos podrían deberse a vibraciones o ciclos térmicos.
La importancia de todos los esfuerzos aumenta cuando los materiales que los soportan están defectuosos. Los defectos tienden a agregar esfuerzo adicional a un material. Además, cuando las cargas son cíclicas o inestables, los esfuerzos pueden afectar a un material más severamente. Los esfuerzos adicionales asociados con defectos y cargas cíclicas pueden exceder el esfuerzo necesario para que un material falle.
Tipos de Estrés Aplicado
La intensidad del esfuerzo dentro del cuerpo de un componente se expresa como uno de los tres tipos básicos de carga interna. Se conocen como tensil, compresivo y cortante. La imagen a continuación ilustra los diferentes tipos de esfuerzo. Matemáticamente, solo hay dos tipos de carga interna porque el esfuerzo tensil y el esfuerzo compresivo pueden considerarse como las versiones positiva y negativa del mismo tipo de carga normal.
Sin embargo, en el diseño mecánico, la respuesta de los componentes a las dos condiciones puede ser tan diferente que es mejor, y más seguro, considerarlos como tipos separados.
Como se ilustra en la imagen a continuación, el plano de un esfuerzo tensil o compresivo se encuentra perpendicular al eje de operación de la fuerza de la que se origina. El plano de un esfuerzo cortante se encuentra en el plano del sistema de fuerzas del que se origina. Es esencial mantener estas diferencias bastante claras tanto en la mente como en el modo de expresión.
Tipos de Estrés Aplicado
Esfuerzo Tensil
El esfuerzo tensil es un tipo de esfuerzo en el que las dos secciones de material a cada lado de un plano de esfuerzo tienden a separarse o alargarse como se ilustra en la imagen anterior (Tensil).
Esfuerzo Compresivo
El esfuerzo compresivo es el inverso del esfuerzo tensil. Las partes adyacentes del material tienden a presionarse entre sí a través de un plano de esfuerzo típico como se ilustra en la imagen anterior (Compresivo).
Esfuerzo Cortante
El esfuerzo cortante existe cuando dos partes de un material tienden a deslizarse una sobre otra en cualquier plano típico de corte al aplicar una fuerza paralela a ese plano como se ilustra en la imagen anterior (Cortante).
La evaluación de las propiedades mecánicas se realiza abordando los tres tipos básicos de esfuerzo. Debido a que las cargas tensiles y compresivas producen esfuerzos que actúan a través de un plano, en una dirección perpendicular (normal) al plano, los esfuerzos tensiles y compresivos se llaman esfuerzos normales. Las designaciones abreviadas son las siguientes.
Para esfuerzos tensiles: "+SN" (o "SN") o "σ" (sigma)
Para esfuerzos compresivos: "-SN" o "-σ" (menos sigma)
La capacidad de un material para reaccionar al esfuerzo compresivo o presión se llama compresibilidad. Por ejemplo, los metales y los líquidos son incompresibles, pero los gases y los vapores son compresibles. El esfuerzo cortante es igual a la fuerza dividida por el área de la cara paralela a la dirección en la que actúa la fuerza, como se muestra en la imagen anterior (Cortante).
Dos tipos de esfuerzo pueden estar presentes simultáneamente en un plano, siempre que uno de los esfuerzos sea cortante. Bajo ciertas condiciones, diferentes combinaciones de tipos básicos de esfuerzo pueden estar presentes simultáneamente en el material. Una pared de recipiente a presión tiene esfuerzo tensil en varias ubicaciones debido a la temperatura y presión del fluido que actúa sobre la pared. El esfuerzo compresivo se aplica desde el exterior en otras ubicaciones de la pared debido a la presión exterior, temperatura y constricción de los soportes asociados con el recipiente. En esta situación, los esfuerzos tensiles y compresivos se consideran esfuerzos principales. Si está presente, el esfuerzo cortante actuará en un ángulo de 90° con respecto al esfuerzo principal.
Resumen
La información importante en este capítulo se resume a continuación.
Resumen de Estrés
- Estrés es la resistencia interna de un material a los efectos distorsionantes de una fuerza o carga externa.
- Hay tres tipos de estrés:
El esfuerzo tensil es un tipo de esfuerzo en el que las dos secciones de material a cada lado de un plano de esfuerzo tienden a separarse o alargarse.
El esfuerzo compresivo es el inverso del esfuerzo tensil. Las partes adyacentes del material tienden a presionarse entre sí.
El esfuerzo cortante existe cuando dos partes de un material tienden a deslizarse una sobre otra al aplicar una fuerza paralela a ese plano.
- Compresibilidad es la capacidad de un material para reaccionar al esfuerzo compresivo o presión.