1. Criterios de rendimiento
Tres criterios de rendimiento comúnmente utilizados en ingeniería son:
(1) Límite Proporcional – La tensión más grande que mantiene una relación lineal en la curva tensión-deformación, representada internacionalmente como σp. Se considera que el material comienza a ceder cuando la tensión excede σp.
(2) Límite elástico: después de cargar y descargar una muestra de prueba, el valor predeterminado es que no hay deformación permanente residual. La tensión más alta a la que el material puede recuperarse completamente elásticamente se representa comúnmente como σel a nivel internacional. Se considera que el material comienza a ceder cuando la tensión excede σel.
(3) Límite elástico: el estándar es una deformación residual específica, como una tensión de deformación residual del 0,2 % considerada como límite elástico, simbolizada como σ0,2 o σys.
2. Factores que afectan el límite elástico
Los factores intrínsecos que afectan el límite elástico incluyen:
Enlace, microestructura, estructura, propiedades atómicas. La comparación del límite elástico del metal con el de la cerámica y los polímeros demuestra el impacto fundamental de la unión.
Desde el punto de vista de las influencias microestructurales, cuatro mecanismos de refuerzo pueden afectar el límite elástico de los materiales metálicos:
(1) Fortalecimiento de soluciones sólidas;
(2) Endurecimiento por deformación;
(3) Fortalecimiento de la precipitación y fortalecimiento de la dispersión;
(4) Límite de grano y refuerzo de subgrano.
El fortalecimiento por precipitación y el refinamiento de grano son los métodos más comunes para mejorar el límite elástico en aleaciones industriales. Entre estos mecanismos de refuerzo, los tres primeros disminuyen la plasticidad al tiempo que mejoran la resistencia del material. Sólo el refinamiento de granos y subgranos puede aumentar la resistencia y la plasticidad.
Los factores extrínsecos que afectan el límite elástico incluyen:
Temperatura, tasa de deformación, estado de tensión. A medida que la temperatura disminuye y la velocidad de deformación aumenta, aumenta el límite elástico del material. Los metales cúbicos centrados en el cuerpo son particularmente sensibles a la temperatura y a la tasa de deformación, lo que provoca el fenómeno de la fragilidad del acero a bajas temperaturas.
El efecto del estrés también es significativo. Aunque el límite elástico refleja una propiedad fundamental del material, diferentes estados de tensión darán como resultado diferentes límites elásticos. Normalmente, cuando nos referimos al límite elástico de un material, nos referimos a su límite elástico bajo tensión unidireccional.
3. Importancia en ingeniería del límite elástico
Los métodos tradicionales de diseño de resistencia utilizan el límite elástico como estándar para materiales plásticos, estableciendo la tensión permitida (σ) = σys/n, donde el factor de seguridad n suele ser 2 o mayor. Para materiales frágiles, la resistencia a la tracción se utiliza como estándar definiendo la tensión permitida (σ)=σb/n, donde el factor de seguridad n es normalmente 6.
Es importante señalar que seguir los métodos tradicionales de diseño de resistencia conducirá inevitablemente a un énfasis excesivo en materiales con altos límites elásticos. Sin embargo, a medida que aumenta el límite elástico del material, la tenacidad a la fractura del material disminuye, lo que aumenta el riesgo de fractura frágil.
El límite elástico no sólo tiene importancia de aplicación directa, sino que también mide aproximadamente ciertos comportamientos mecánicos y el rendimiento del proceso de materiales en ingeniería.
Por ejemplo, un aumento en el límite elástico del material lo hace más sensible al agrietamiento por corrosión bajo tensión y a la fragilización por hidrógeno. Si el límite elástico de un material es bajo, tendrá mejores propiedades de soldadura y conformado en frío. Por lo tanto, el límite elástico es un indicador clave indispensable de las propiedades del material.
Una vez que un material comienza a ceder, la deformación continua provocará un endurecimiento por trabajo.
4. Importancia práctica del índice de endurecimiento por trabajo n
El índice de endurecimiento por trabajo n refleja el endurecimiento por deformación de un material después de que comienza a ceder y continúa deformándose, determinando la tensión máxima cuando comienza a producirse el estrechamiento. n también determina la deformación uniforme máxima que puede producir un material, un valor crucial en los procesos de conformado en frío.
Para las piezas funcionales, también es necesario que los materiales tengan ciertas capacidades de endurecimiento.
De lo contrario, bajo sobrecargas ocasionales, se producirá una deformación plástica excesiva, lo que podría provocar una deformación local irregular o una fractura.
Por tanto, la capacidad de endurecimiento de un material es una garantía fiable para el uso seguro de las piezas.
El endurecimiento por deformación es un medio esencial para aumentar la resistencia del material. El acero inoxidable tiene un gran índice de endurecimiento n = 0,5, lo que da como resultado una gran cantidad de deformación uniforme.
Aunque el límite elástico del acero inoxidable no es alto, se puede mejorar significativamente mediante deformación en frío. El alambre de acero con alto contenido de carbono, después del tratamiento y trefilado isotérmico con baño de plomo, puede alcanzar más de 2.000 MPa.
Sin embargo, los métodos tradicionales de fortalecimiento de tensiones sólo pueden aumentar la resistencia y al mismo tiempo reducir significativamente la plasticidad. En algunos materiales nuevos en desarrollo, se observa que los cambios en la microestructura y su distribución pueden mejorar tanto la resistencia como la plasticidad durante la deformación.
5. Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción representa la resistencia a la fractura cuando los materiales no presentan estricción. Cuando se utilizan materiales frágiles en el diseño de productos, su tensión permitida se basa en la resistencia a la tracción. ¿Qué significa la resistencia a la tracción para los materiales plásticos en general?
Aunque la resistencia a la tracción representa sólo la resistencia máxima a la deformación plástica uniforme, indica la capacidad de carga última del material bajo tensión estática. La carga externa correspondiente a la resistencia a la tracción σb es la carga máxima que puede soportar la muestra.
Aunque el estrechamiento se desarrolla continuamente y la tensión real aumenta, la carga externa disminuye rápidamente.
El trabajo consumido por unidad de volumen de material desde la deformación hasta la fractura bajo tensión estática se denomina tenacidad estática. Estrictamente hablando, debería ser el área bajo la verdadera curva tensión-deformación.
Para simplificar la ingeniería, se aproxima a la siguiente manera: Para los materiales plásticos, la tenacidad estática es un indicador integral de resistencia y plasticidad.
Los materiales puros de alta resistencia, como el acero para resortes, no tienen una alta tenacidad estática, y el acero con bajo contenido de carbono con buena plasticidad tampoco tiene una alta tenacidad estática.
Sólo el acero estructural de medio carbono (aleación) templado y revenido a alta temperatura tiene la mayor tenacidad estática.
La dureza no es una propiedad básica independiente de los metales. Se refiere a la capacidad de un metal para resistir la deformación o fractura en su superficie dentro de un volumen pequeño.
