En mecánica de sólidos , una concentración de tensión (también llamada aumento de tensión o sensibilidad a la muesca ) es una ubicación en un objeto donde la tensión es significativamente mayor que la región circundante. Las concentraciones de tensiones ocurren cuando hay irregularidades en la geometría o el material de un componente estructural que provocan una interrupción en el flujo de tensiones. Esto surge de detalles tales como agujeros , ranuras , muescas y filetes . También pueden producirse concentraciones de tensión debido a daños accidentales, como mellas y rayones.
El grado de concentración de una discontinuidad bajo cargas típicamente de tracción se puede expresar como un factor de concentración de tensión adimensional , que es la relación entre la tensión más alta y la tensión nominal del campo lejano. Para un agujero circular en una placa infinita, . [1] El factor de concentración de tensiones no debe confundirse con el factor de intensidad de tensiones , que se utiliza para definir el efecto de una grieta sobre las tensiones en la región alrededor de la punta de una grieta. [2]
Para materiales dúctiles , cargas grandes pueden causar deformación plástica localizada o fluencia que normalmente ocurrirá primero en una concentración de tensión que permita una redistribución de la tensión y permita que el componente continúe soportando la carga. Los materiales frágiles normalmente fallarán en la concentración de tensiones. Sin embargo, cargas repetidas de bajo nivel pueden causar que se inicie una grieta por fatiga y crezca lentamente a una concentración de tensión que lleve a la falla incluso de materiales dúctiles. Las grietas por fatiga siempre comienzan en los generadores de tensión, por lo que la eliminación de dichos defectos aumenta la resistencia a la fatiga .
Las concentraciones de tensiones ocurren cuando hay irregularidades en la geometría o el material de un componente estructural que provocan una interrupción en el flujo de tensiones.
Las discontinuidades geométricas hacen que un objeto experimente un aumento localizado de tensión. Ejemplos de formas que causan concentraciones de tensión son esquinas internas afiladas, agujeros y cambios repentinos en el área de la sección transversal del objeto, así como daños involuntarios como mellas, rayones y grietas. Las tensiones locales elevadas pueden hacer que los objetos fallen más rápidamente, por lo que los ingenieros suelen diseñar la geometría para minimizar las concentraciones de tensiones.
Las discontinuidades de los materiales, como las inclusiones en metales, también pueden concentrar la tensión. Las inclusiones en la superficie de un componente pueden romperse debido al mecanizado durante la fabricación, lo que genera microfisuras que crecen en servicio debido a la carga cíclica. Internamente, la falla de las interfaces alrededor de las inclusiones durante la carga puede provocar una falla estática por coalescencia de microhuecos .
El factor de concentración de tensiones , es la relación entre la tensión más alta y una tensión nominal de la sección transversal bruta y se define como [3]
Tenga en cuenta que el factor de concentración de tensiones adimensional es función de la forma geométrica e independiente de su tamaño. [4] Estos factores se pueden encontrar en materiales de referencia de ingeniería típicos.
E. Kirsch derivó las ecuaciones para la distribución de tensiones elásticas alrededor de un agujero . La tensión máxima que se siente cerca de un agujero o muesca se produce en el área de menor radio de curvatura . En un agujero elíptico de largo y ancho , bajo una tensión de campo lejano , la tensión en los extremos de los ejes principales viene dada por la ecuación de Inglis: [5]
donde es el radio de curvatura del agujero elíptico. Para agujeros circulares en una placa infinita donde , el factor de concentración de tensiones es .
A medida que el radio de curvatura se acerca a cero, como en la punta de una grieta pronunciada, la tensión máxima se acerca al infinito y, por lo tanto, no se puede utilizar un factor de concentración de tensión para una grieta. En su lugar, se utiliza el factor de intensidad de tensión que define la escala del campo de tensión alrededor de la punta de una grieta. [2]
Existen métodos experimentales para medir los factores de concentración de tensiones, incluido el análisis de tensiones fotoelásticas , el análisis de tensiones termoelásticas, [6] recubrimientos frágiles o galgas extensométricas .
Durante la fase de diseño, existen múltiples enfoques para estimar los factores de concentración de tensiones. Se han publicado varios catálogos de factores de concentración de tensiones. [7] Quizás el más famoso sea Factores de diseño de concentración de tensión de Peterson, publicado por primera vez en 1953. [8] [9] Los métodos de elementos finitos se utilizan comúnmente en el diseño actual.
Conocido como embotamiento de la punta de la grieta, un método contrario a la intuición para reducir uno de los peores tipos de concentraciones de tensión, una grieta , es perforar un gran agujero al final de la grieta. El agujero perforado, con su tamaño relativamente grande, sirve para aumentar el radio efectivo de la punta de la grieta y así reducir la concentración de tensiones. [4]
Otro método utilizado para disminuir la concentración de tensiones es agregar un filete a las esquinas internas. Esto reduce la concentración de tensiones y da como resultado un flujo más suave de líneas de tensión.
En un componente roscado, la línea de flujo de fuerza se dobla a medida que pasa desde la parte del vástago a la parte roscada; como resultado, se produce la concentración de tensiones. Para reducir esto, se hace un pequeño corte entre el vástago y las partes roscadas.
