Definición de límite de rendimiento
Límite elástico: Es el límite elástico de un material metálico cuando cede, es decir, la tensión que resiste una ligera deformación plástica.
Para materiales metálicos sin fluencia obvia, el valor de tensión que produce una deformación residual del 0,2% se especifica como su límite elástico, llamado límite elástico condicional o límite elástico.
Las fuerzas externas que excedan este límite provocarán una falla permanente del componente y no podrán restaurarse. Por ejemplo, el límite elástico del acero con bajo contenido de carbono es de 207 MPa.
Cuando se aplican fuerzas externas superiores a este límite, el componente sufrirá una deformación permanente. Si es menor que esto, el componente volverá a su forma original.
Importancia del límite elástico en la ciencia e ingeniería de materiales.
El método de diseño resistente tradicional considera el límite elástico como estándar para materiales plásticos, con esfuerzo permisible (σ)=σys/n, donde el factor de seguridad n puede variar de 1,1 a 2 o más, dependiendo de la situación.
Para materiales frágiles, la resistencia a la tracción se considera estándar, con tensión permitida (σ) = σb/n, y el factor de seguridad n generalmente se considera 6.
Cabe señalar que el método tradicional de diseño de resistencia conducirá inevitablemente a una búsqueda unilateral de un alto límite elástico para el material, pero a medida que aumenta el límite elástico del material, la resistencia a la fractura disminuye y aumenta el riesgo de fractura.
El límite elástico no sólo tiene importancia práctica directa, sino que también sirve como una medida aproximada de cierto comportamiento mecánico y rendimiento del proceso del material en ingeniería.
Por ejemplo, a medida que aumenta el límite elástico del material, se vuelve más sensible al agrietamiento por corrosión bajo tensión y a la fractura frágil por hidrógeno; a medida que disminuye el límite elástico, el rendimiento del conformado en frío y el rendimiento de la soldadura mejoran, y así sucesivamente.
Por tanto, el límite elástico es un índice importante e indispensable en el rendimiento del material.
Conceptos básicos de tensión y deformación de materiales.
Conceptos de estrés y tensión.
Estrés
Cuando un objeto se deforma debido a factores externos (fuerzas, humedad, cambios de temperatura, etc.), existen fuerzas internas que interactúan entre las diferentes partes del objeto. La fuerza interna por unidad de área se llama tensión.
Las perpendiculares a la sección transversal se denominan tensión normal o tensión axial, y las tangentes a la sección transversal se denominan tensión cortante o tensión cortante.
Variedad
La deformación se refiere a la deformación relativa de un objeto bajo la acción de fuerzas externas y campos de temperatura no uniformes, entre otros factores.
Relación entre estrés y tensión.
Según la ley de Hooke, dentro de un cierto rango límite proporcional, la tensión y la deformación tienen una relación proporcional lineal.
El voltaje máximo correspondiente se llama límite proporcional.
La relación entre tensión y deformación, denotada por E, se denomina módulo de elasticidad o módulo de Young, y diferentes materiales tienen un módulo de Young fijo.
Aunque la tensión no se puede medir directamente, se puede calcular midiendo la deformación causada por fuerzas externas.
Informaciones adicionales
La ley de Hooke es una ley básica en la teoría de la elasticidad mecánica, que establece que los materiales sólidos tienen una relación lineal entre tensión y deformación (deformación unitaria) cuando se someten a tensión.
Los materiales que satisfacen la ley de Hooke se denominan elásticos lineales o materiales de Hooke.
La expresión de la ley de Hooke es F=k·x o ΔF=k·Δx, donde k es una constante, el coeficiente de rigidez (rigidez) del objeto.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de F es Newton, la unidad de x es metro y es una variable de deformación (deformación elástica) y la unidad de k es Newton/metro.
El coeficiente de rigidez es numéricamente igual a la fuerza del resorte cuando el resorte se estira (o acorta) una unidad de longitud.
Tipos de estrés y tensión.
¿Cuáles son los tipos de estrés?
Esfuerzo normal: el componente de esfuerzo perpendicular a la sección transversal se llama esfuerzo normal (o esfuerzo axial) y se denota por σ.
La tensión normal representa el estiramiento y la compresión entre secciones transversales adyacentes dentro de la pieza.
Deformación normal: La deformación normal en un punto es el alargamiento en la dirección de la fuerza normal debido a la tensión normal distribuida en la sección transversal en esa dirección.
Esfuerzo cortante: el componente de tensión tangencial a la sección transversal se llama esfuerzo cortante o fuerza cortante, denotada por τ. El esfuerzo cortante representa la acción de deslizamiento entre dos partes.
Deformación cortante: La deformación cortante en un punto es el cambio de ángulo entre dos direcciones perpendiculares debido al esfuerzo cortante distribuido en la sección transversal. También se le conoce como deformación por corte.
¿Cuáles son los tipos de tensión?
Básicamente existen dos tipos de deformación: deformación lineal y deformación angular. La deformación lineal, también conocida como deformación normal, es la relación entre el aumento de longitud (positivo cuando se estira) de un segmento de línea corto en una dirección determinada y su longitud original.
La deformación angular, también conocida como deformación cortante o deformación cortante, es el cambio de ángulo (positivo cuando disminuye) entre dos segmentos de línea perpendiculares debido al esfuerzo cortante. Se expresa en radianes.
Determinación de la resistencia al rendimiento
Curva tensión-deformación
El diagrama de la curva tensión-deformación (σ-ε) se muestra en la Figura 3.
En lugar de la carga axial F, se considera la tensión nominal σ = F / A0, y en lugar de la extensión Δl, se considera la deformación de ingeniería ε = Δl / l0.
La curva tensión-deformación todavía tiene cuatro etapas. Los significados de cada punto característico son:
Prácticas para:
En la etapa inicial de estiramiento (o compresión), la tensión σ y la deformación ε están relacionadas linealmente hasta el punto a.
En este punto, el valor de tensión correspondiente al punto a se denomina límite proporcional, representado por σp.
Es el límite máximo donde la tensión y la deformación son proporcionales.
Cuando σ≤σp, existe σ =Eε, también conocida como ley de Hooke, que indica que la tensión y la deformación son proporcionales.
Por lo tanto, E =σ / ε = tanα, donde E se conoce como módulo de elasticidad o módulo de Young, con unidades iguales a σ. Cuando el voltaje excede el límite proporcional para llegar al punto b, la relación σ-ε se desvía de una línea recta.
Si la tensión se descarga a cero en este punto, la deformación también desaparecerá (una vez que la tensión excede el punto b, una parte de la deformación no se puede eliminar después de la descarga).
La tensión definida en el punto b se llama límite elástico σe. σe es el valor límite último sólo para la deformación elástica del material.
Etapa Bac:
Después de que la tensión excede el límite elástico, ocurre un fenómeno en el que la tensión aumenta muy poco o nada en absoluto y la deformación aumenta rápidamente.
Este fenómeno se llama ceder. El punto donde comienza el flujo corresponde al límite de fluencia σs, también conocido como límite de fluencia.
En la fase de fluencia, la tensión no cambia mientras la deformación continúa aumentando, el material parece haber perdido su capacidad de resistir la deformación, lo que resulta en una deformación plástica significativa (si se descarga en este punto, la deformación no desaparecerá por completo y habrá no habrá deformación residual).
Por tanto, σs es un índice importante para medir la resistencia del material.
Cuando una muestra de acero con bajo contenido de carbono cede con el pulido de la superficie, la superficie mostrará rayas en un ángulo de 45° con respecto al eje debido al deslizamiento relativo de la red cristalina interna, conocido como líneas de deslizamiento.
Etapa Cae:
Después de pasar por la etapa de fluencia, si la muestra continúa deformándose, se debe cargar más, el material parece haberse fortalecido y la etapa ce es la etapa de fortalecimiento.
El punto más alto (punto e) en el paso de refuerzo por deformación corresponde a la resistencia última σb. Representa la tensión máxima que puede soportar el material.
Pasantía EAF:
Después de pasar por la punta y, es decir, después de que la tensión alcanza el límite de resistencia, la probeta sufre una fuerte contracción local, conocida como estrechamiento.
Luego, ocurren grietas dentro de la muestra, la tensión nominal σ disminuye y la muestra se fractura en el punto f.
El límite elástico (σs) y la resistencia a la tracción (σb) son indicadores importantes de la resistencia de materiales con buena plasticidad (como el acero con bajo contenido de carbono).
Cabe señalar que se utiliza la tensión nominal y no se considera la reducción del área de la sección transversal que acompaña a la deformación por estiramiento.
La resistencia a la tracción (σb) es solo la tensión máxima nominal que el material puede soportar, no la tensión máxima real dentro del material.
Si se utiliza para medir el área real de la muestra en el momento de la fractura, la tensión máxima real es el valor de tensión correspondiente al punto i en el segmento de línea di en la figura.
En la práctica de la ingeniería, por razones de simplicidad, practicidad y seguridad, la resistencia a la tracción (σb) todavía se utiliza para representar la tensión máxima que el material puede soportar.
Sin embargo, al simular el comportamiento mecánico no lineal de materiales con una computadora, se debe utilizar la curva tensión-deformación real.
Métodos para determinar el límite elástico.
Para metales sin un fenómeno de fluencia significativo, se puede medir su resistencia a la tracción bajo una extensión no proporcional prescrita o una tensión de tracción residual.
Para metales con un fenómeno de fluencia significativo, se puede medir su límite elástico, su límite elástico superior y su límite elástico inferior.
Hay dos métodos para medir el límite elástico superior e inferior: método gráfico y método de puntero.
Método gráfico
Durante el experimento, se dibuja un gráfico de desplazamiento de la fuerza de la mandíbula utilizando un dispositivo de registro automático.
La proporción del eje de fuerza con la tensión representada por cada milímetro debe ser inferior a 10 N/mm 2 y la curva debe trazarse al menos hasta el final de la etapa de fluencia.
En la curva se determinan la fuerza constante Fe durante el flujo, la fuerza máxima Feh antes de la primera disminución de fuerza durante la etapa de flujo o la fuerza mínima FeL antes del efecto instantáneo inicial.
El límite de rendimiento, el límite de rendimiento superior y el límite de rendimiento inferior se pueden calcular utilizando las siguientes fórmulas:
Fórmula para calcular el límite de rendimiento: Re = Fe/So; Fe es la fuerza constante durante el flujo.
Fórmula para calcular el límite superior de rendimiento: Reh = Feh/So; Feh es la fuerza máxima antes de la primera disminución de fuerza durante la fase de fluencia.
Fórmula para calcular el límite inferior de rendimiento: ReL = FeL/So; FeL es la fuerza mínima antes del efecto instantáneo inicial.
método de puntero
Durante el experimento, cuando el puntero del medidor de fuerza deja de girar con la fuerza constante o la fuerza máxima antes del primer retorno o la fuerza mínima antes del efecto instantáneo inicial, corresponden al límite elástico, límite elástico superior y límite elástico inferior, respectivamente.
Factores que afectan el límite de rendimiento
Los factores internos que afectan el límite elástico son: enlace, microestructura, estructura y naturaleza atómica.
Una comparación del límite elástico de los metales con el de las cerámicas y los polímeros muestra que el efecto de unión es fundamental.
En términos del impacto de la microestructura, existen cuatro mecanismos de fortalecimiento que afectan el límite elástico de los materiales metálicos, que son:
(1) fortalecer soluciones sólidas;
(2) endurecimiento por deformación;
(3) fortalecer la precipitación y fortalecer la dispersión;
(4) fortalecimiento de los límites y subgranos del grano. El fortalecimiento por precipitación y el fortalecimiento de grano fino son los medios más comúnmente utilizados para mejorar el límite elástico de las aleaciones industriales.
De estos mecanismos de refuerzo, los primeros tres mecanismos aumentan la resistencia del material al tiempo que reducen la plasticidad.
Sólo el refinamiento del tamaño de grano y subgrano puede aumentar la resistencia y plasticidad del material.
Los factores externos que afectan la resistencia al flujo son: temperatura, tasa de deformación y estado de tensión.
A medida que la temperatura disminuye y la velocidad de deformación aumenta, el límite elástico del material aumenta, especialmente los metales cúbicos centrados en el cuerpo son particularmente sensibles a la temperatura y la velocidad de deformación, lo que conduce a una fractura frágil del acero a baja temperatura.
También es importante la influencia del estado de estrés. Aunque el límite elástico refleja el rendimiento inherente de un material, el valor del límite elástico también es diferente según el estado de tensión.
El límite elástico de un material comúnmente referido es generalmente el límite elástico bajo tensión uniaxial.
Materiales comunes y sus límites de rendimiento.
| Grado de acero | Propiedad mecanica | Composición química | ||||||||
| límite elástico | resistencia a la tracción | extensión | W. | Sí | Minnesota | s | PAG | |||
| MPa | kilogramos/ mm2 | MPa | kilogramos/ mm2 | milímetros | Menos que o igual a. | Menos que o igual a. | Menos que o igual a. | |||
| Q215A Q215B |
215 | 22 | 335-410 | 3442 | 31 | 0,09-0,15 | 0,03 | 0,25-0,55 | 0.050 0,045 |
0,045 |
| Q235A Q235B Q235C Q235D |
235 | 24 | 375-460 | 38-47 | 26 | 0,14-0,22 0,12-0,20 ≤0,18 ≤0,17 |
0:30 | 0,30-0,65 0,30-0,70 0,35-0,80 0,35-0,80 |
0,5 0,45 0,40 0.035 |
0,045 0,045 0.040 0.035 |
| Minnesota (Q345B) |
345 | 35 | 510-600. | 51,60 | 22 | 0,12-0,200 | 0,20-0,55 | 1.2-1.6 | 0,045 | 0,045 |
Métodos de prueba para la resistencia al rendimiento
La prueba de límite elástico es un indicador importante de las características de resistencia del material y un indicador crítico del desempeño del material.
Se utiliza comúnmente para evaluar la resistencia de la superficie del material y el rendimiento plástico.
Los métodos de prueba de resistencia al rendimiento generalmente se dividen en dos tipos: mecánicos y no mecánicos.
Prueba de límite elástico mecánico:
Este método generalmente implica flexión de tres puntos, método de máquina de prueba de tracción y método de compresión. La muestra se coloca entre dos soportes y se aplica una fuerza constante utilizando un dispositivo mecánico para determinar el límite elástico.
Prueba de límite elástico no mecánico:
Este método suele implicar métodos de tracción, compresión y torsión. La muestra se monta en el instrumento de prueba y se aplica una fuerza constante usando una palanca o control por computadora para determinar el límite elástico.
Para mejorar la exactitud y precisión de las pruebas de límite elástico, generalmente es necesario realizar múltiples pruebas en las condiciones requeridas y obtener el valor promedio.
En todos los experimentos, el tratamiento de la muestra debe ser estandarizado y completo, y la muestra debe mantenerse constante bajo la fuerza aplicada. El límite elástico último obtenido es la resistencia máxima a la que el material puede doblarse bajo la carga aplicada.
Conclusión
Al estudiar este artículo, aprendimos qué es el límite elástico, los principios básicos de tensión y deformación, métodos para determinar el límite elástico, los factores que afectan el límite elástico y las aplicaciones del límite elástico.
Esperamos que esta información sea de utilidad para todos.
Si tiene alguna consulta, no dude en hacérnoslo saber en la sección de comentarios.
