Deformación (ingeniería)
Por deformación se entiende el cambio interno relativo en la forma de un cubo infinitesimalmente pequeño de un material, y puede expresarse como un cambio adimensional en su longitud o en los ángulos que forman sus aristas.
Las deformaciones están relacionadas con las fuerzas que actúan sobre el cubo, que se conocen como tensiones, y cuyo efecto sobre cada material se cuantifica mediante ensayos de tracción y de compresión.
Cuando hay un cambio significativo en el tamaño (como por ejemplo, cuando un material dúctil pierde sección a medida que se alarga hasta convertirse en un hilo), la tensión verdadera y la deformación verdadera pueden deducirse de las dimensiones del objeto (particularmente de su sección, puesto que la tensión es el cociente de la fuerza aplicada y de la sección sobre la que se aplica) en un instante dado.
[1] En la figura se puede ver que la carga de compresión (indicada por la flecha) ha provocado una deformación en el cilindro (color rojo), de modo que la forma original (color gris) se ha modificado (deformado) a un volumen con los lados abultados.
Este fenómeno se produce porque el material, aunque lo suficientemente fuerte como para no agrietarse o romperse, no es lo suficientemente fuerte para soportar la carga sin cambios.
Las fuerzas internas (en este caso en ángulo recto con respecto a la deformación) equilibran la carga aplicada.
El concepto de cuerpo rígido se puede aplicar si la deformación es suficientemente pequeña.
[2] En ingeniería civil, el estudio de la deformación temporal o elástica se aplica a materiales utilizados en la construcción, como el hormigón o el acero, que están sometidos a deformaciones muy pequeñas.
Los elastómeros y los metales con memoria como el nitinol, exhiben grandes rangos de deformación elástica, al igual que el caucho.
La deformación elástica lineal se rige por ley de Hooke, que establece: donde
Se debe tener en cuenta que no todos los materiales elásticos experimentan una deformación elástica lineal; algunos, como el hormigón, la fundición gris y muchos polímeros, responden de forma no lineal.
Además, basándose en la curva de tensión-deformación verdaderas, se puede estimar la región donde comienza a producirse el estrechamiento.
Desde que comienza a aparecer un estrechamiento visible de la sección, hasta que se llega a la tensión final (cuando se aplicó la fuerza máxima), se puede expresar esta situación de la siguiente manera: que a su vez se puede expresar de la siguiente manera: La gráfica muestra que el estrechamiento comienza a aparecer donde la reducción del área se vuelve mucho más significativa en comparación con el cambio de tensión.
Luego, la tensión se maximiza en la zona específica donde aparece el estrechamiento.
Además, se pueden deducir varias relaciones basadas en la curva tensión-deformación verdaderas.
1) La curva de deformación y tensión verdaderas se puede expresar mediante la relación lineal aproximada tomando un logaritmo de la tensión y la deformación verdaderas.
y la recta secante, se puede determinar si los materiales muestran estiramiento o estrechamiento.
Una vez superado este valor, la pendiente se vuelve más pequeña que la línea secante y comienza a aparecer el estrechamiento.
En la figura (c), existe un punto donde el material comienza a perder rigidez, pero cuando
Este tipo de deformación no se revierte simplemente eliminando la fuerza aplicada.
Sin embargo, un objeto en el rango de deformación plástica primero habrá sufrido una deformación elástica (que sí desaparece al eliminar la fuerza aplicada), por lo que el objeto regresará parcialmente a su forma original.
Los termoplásticos ligeros tienen un rango de deformación plástica bastante grande, al igual que los metales dúctiles como el cobre, la plata y el oro.
EL acero también presenta este comportamiento, pero no así la fundición de hierro.
Durante el endurecimiento por deformación, el material se vuelve más resistente debido a la formación de dislocaciones atómicas.
Inicialmente se pensaba que un material deformado exclusivamente dentro del rango elástico regresaba completamente a su estado original una vez que se eliminaban las fuerzas aplicadas.
Sin embargo, se producen fallos a nivel molecular con cada deformación.
La selección de materiales que probablemente no sufrirán fatiga del metal durante la vida útil del producto es la mejor solución, pero no siempre es posible.
Evitar formas con esquinas afiladas limita la fatiga del metal al reducir las concentraciones de tensión, pero no la elimina.
Según las propiedades del material, los modos de falla son la fluencia para materiales con comportamiento dúctil (como la mayoría de los metales, algunos suelos y materiales plásticos) o rotura por comportamiento frágil (como hormigón, rocas, fundición de hierro, vidrio o cerámica).
En este punto, las fuerzas se acumulan hasta que son suficientes para provocar una fractura.
