En ciencia e ingeniería de materiales , el límite elástico es el punto de una curva tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comienzo del comportamiento plástico . Por debajo del límite elástico, un material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez superado el límite elástico, una fracción de la deformación será permanente y no reversible y se conoce como deformación plástica .
El límite elástico o límite elástico es una propiedad del material y es la tensión correspondiente al límite elástico en el que el material comienza a deformarse plásticamente. El límite elástico se utiliza a menudo para determinar la carga máxima permitida en un componente mecánico, ya que representa el límite superior de las fuerzas que se pueden aplicar sin producir deformación permanente. Para la mayoría de los metales, como el aluminio y el acero trabajado en frío , hay un inicio gradual de comportamiento no lineal y no hay un límite elástico preciso. En tal caso, el límite elástico compensado (o tensión de prueba ) se toma como la tensión a la que se produce una deformación plástica del 0,2%. Ceder es un modo de falla gradual que normalmente no es catastrófico , a diferencia del fracaso final .
Para materiales dúctiles , el límite elástico suele ser distinto de la resistencia máxima a la tracción , que es la capacidad de carga de un material determinado. La relación entre el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción es un parámetro importante para aplicaciones como el acero para tuberías y se ha descubierto que es proporcional al exponente de endurecimiento por deformación . [1]
En mecánica de sólidos , el límite elástico se puede especificar en términos de tensiones principales tridimensionales ( ) con una superficie elástica o un criterio elástico . Se han desarrollado una variedad de criterios de rendimiento para diferentes materiales.
A menudo es difícil definir con precisión el rendimiento debido a la amplia variedad de curvas de tensión-deformación que presentan los materiales reales. Además, hay varias formas posibles de definir el rendimiento: [10]
Las estructuras cedidas tienen una menor rigidez, lo que provoca mayores deflexiones y una menor resistencia al pandeo. La estructura quedará deformada permanentemente cuando se retire la carga y puede tener tensiones residuales. Los metales de ingeniería muestran endurecimiento por deformación, lo que implica que el límite elástico aumenta después de descargarse del estado elástico.
La prueba de límite elástico implica tomar una pequeña muestra con un área de sección transversal fija y luego tirar de ella con una fuerza controlada y que aumenta gradualmente hasta que la muestra cambia de forma o se rompe. Esto se llama prueba de tracción. La deformación longitudinal y/o transversal se registra utilizando extensómetros mecánicos u ópticos.
La dureza de indentación se correlaciona aproximadamente linealmente con la resistencia a la tracción para la mayoría de los aceros, pero las mediciones en un material no se pueden usar como escala para medir la resistencia en otro. [17] Por lo tanto, las pruebas de dureza pueden ser un sustituto económico de las pruebas de tracción, además de proporcionar variaciones locales en el límite elástico debido, por ejemplo, a operaciones de soldadura o conformado. Para situaciones críticas, a menudo se realizan pruebas de tensión para eliminar la ambigüedad. Sin embargo, es posible obtener curvas de tensión-deformación a partir de procedimientos basados en indentación, siempre que se cumplan ciertas condiciones. Estos procedimientos se agrupan bajo el término plastometría de indentación .
Hay varias formas en que se pueden diseñar materiales cristalinos para aumentar su límite elástico. Al alterar la densidad de dislocación, los niveles de impurezas y el tamaño de grano (en materiales cristalinos), se puede ajustar el límite elástico del material. Esto ocurre típicamente al introducir defectos como impurezas y dislocaciones en el material. Para mover este defecto (deformar plásticamente o ceder el material), se debe aplicar una tensión mayor. Por tanto, esto provoca un mayor límite elástico en el material. Si bien muchas propiedades de los materiales dependen únicamente de la composición del material a granel, el límite elástico también es extremadamente sensible al procesamiento de los materiales.
Estos mecanismos para materiales cristalinos incluyen
Donde deformar el material introducirá dislocaciones , lo que aumenta su densidad en el material. Esto aumenta el límite elástico del material ya que ahora se debe aplicar más tensión para mover estas dislocaciones a través de una red cristalina. Las dislocaciones también pueden interactuar entre sí, enredándose.
La fórmula que rige este mecanismo es:
donde es el límite elástico, G es el módulo elástico de corte, b es la magnitud del vector de Burgers y es la densidad de dislocación.
Al alear el material, los átomos de impureza en bajas concentraciones ocuparán una posición de red directamente debajo de una dislocación, como directamente debajo de un defecto de semiplano adicional. Esto alivia una tensión de tracción directamente debajo de la dislocación al llenar ese espacio reticular vacío con el átomo de impureza.
La relación de este mecanismo es la siguiente:
donde está el esfuerzo cortante , relacionado con el límite elástico, y son los mismos que en el ejemplo anterior, es la concentración de soluto y es la deformación inducida en la red debido a la adición de la impureza.
Donde la presencia de una fase secundaria aumentará el límite elástico al bloquear el movimiento de las dislocaciones dentro del cristal. Un defecto de línea que, mientras se mueve a través de la matriz, será forzado contra una pequeña partícula o precipitado del material. Las dislocaciones pueden moverse a través de esta partícula ya sea cortando la partícula o mediante un proceso conocido como arqueamiento o zumbido, en el que se crea un nuevo anillo de dislocaciones alrededor de la partícula.
La fórmula de corte es la siguiente:
y la fórmula de reverencia/sonido:
En estas fórmulas, es el radio de la partícula, es la tensión superficial entre la matriz y la partícula, es la distancia entre las partículas.
Donde una acumulación de dislocaciones en un límite de grano provoca una fuerza de repulsión entre las dislocaciones. A medida que disminuye el tamaño del grano, aumenta la relación entre el área de superficie y el volumen del grano, lo que permite una mayor acumulación de dislocaciones en el borde del grano. Dado que se requiere mucha energía para mover las dislocaciones a otro grano, estas dislocaciones se acumulan a lo largo del límite y aumentan el límite elástico del material. También conocido como fortalecimiento Hall-Petch, este tipo de fortalecimiento se rige por la fórmula:
dónde
El límite elástico teórico de un cristal perfecto es mucho mayor que la tensión observada al inicio del flujo plástico. [18]
El hecho de que el límite elástico medido experimentalmente sea significativamente menor que el valor teórico esperado puede explicarse por la presencia de dislocaciones y defectos en los materiales. De hecho, se ha demostrado que los bigotes con una estructura monocristalina perfecta y superficies libres de defectos demuestran un límite elástico que se acerca al valor teórico. Por ejemplo, se demostró que los nanobigotes de cobre sufren una fractura frágil a 1 GPa, [19] un valor mucho más alto que la resistencia del cobre en masa y acercándose al valor teórico.
El límite elástico teórico se puede estimar considerando el proceso de fluencia a nivel atómico. En un cristal perfecto, el cizallamiento da como resultado el desplazamiento de un plano completo de átomos una distancia de separación interatómica, b, con respecto al plano inferior. Para que los átomos se muevan, se debe aplicar una fuerza considerable para superar la energía de la red y mover los átomos en el plano superior sobre los átomos inferiores y hacia un nuevo sitio de la red. La tensión aplicada para superar la resistencia al corte de una red perfecta es el límite elástico teórico, τ máx .
La curva de desplazamiento de tensión de un plano de átomos varía de manera sinusoidal a medida que la tensión alcanza su punto máximo cuando un átomo es forzado sobre el átomo de abajo y luego cae cuando el átomo se desliza hacia el siguiente punto de la red. [18]
¿Dónde está la distancia de separación interatómica? Dado que τ = G γ y dτ/dγ = G en deformaciones pequeñas (es decir, desplazamientos de distancia atómica única), esta ecuación se convierte en:
Para un desplazamiento pequeño de γ=x/a, donde a es el espaciado de los átomos en el plano de deslizamiento, esto se puede reescribir como:
Dando un valor de τ max igual a:
El límite elástico teórico se puede aproximar como .
Durante las pruebas de tracción monótonas, algunos metales, como el acero recocido, exhiben un límite elástico superior distinto o un retraso en el endurecimiento por trabajo. [20] Estos fenómenos de prueba de tracción, en los que la deformación aumenta pero la tensión no aumenta como se esperaba, son dos tipos de alargamiento del límite elástico.
El alargamiento del punto de fluencia (YPE) afecta significativamente la usabilidad del acero. En el contexto de las pruebas de tracción y la curva tensión-deformación de ingeniería, el punto de fluencia es el nivel de tensión inicial, por debajo de la tensión máxima, en el que se produce un aumento de la deformación sin un aumento de la tensión. Esta característica es típica de ciertos materiales, indicando la presencia de YPE. [20] El mecanismo de YPE se ha relacionado con la difusión de carbono, y más específicamente con las atmósferas de Cottrell .
YPE puede provocar problemas como roturas de bobinas, roturas de bordes, estrías, tensión del bastidor y torceduras o arrugas del carrete, que pueden afectar tanto a la estética como a la planitud. Pueden ocurrir roturas de bobinas y bordes durante el procesamiento inicial o posterior del cliente, mientras que durante el conformado surgen estrías y tensiones en el bastidor. Las torceduras del carrete, crestas transversales en sucesivas vueltas internas de una bobina, son causadas por el proceso de enrollado. [20]
Cuando estas condiciones no son deseables, es fundamental que se informe a los proveedores para que proporcionen los materiales adecuados. La presencia de YPE está influenciada por la composición química y los métodos de procesamiento del laminado, como el paso de piel o el laminado templado, que eliminan temporalmente el YPE y mejoran la calidad de la superficie. Sin embargo, el YPE puede volver a aparecer con el tiempo debido al envejecimiento, que se produce a una temperatura que suele oscilar entre 200 y 400 °C. [20]
A pesar de sus inconvenientes, YPE ofrece ventajas en determinadas aplicaciones, como el perfilado , y reduce la recuperación elástica . Generalmente, el acero con YPE es altamente conformable. [20]
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