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Explicación detallada del límite elástico del material

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1. Límite elástico

El límite elástico es el límite de elasticidad de materiales metálicos cuando se produce la fluencia, que es también la tensión que resiste la microdeformación plástica.

Para los materiales metálicos sin límite elástico evidente, el valor de la tensión que produce una deformación residual de 0,2% se especifica como su límite elástico, que se denomina límite elástico condicional o límite elástico.

Una fuerza externa superior al límite elástico provocará el fallo permanente del componente y no podrá repararse.

Por ejemplo, el límite elástico del acero bajo en carbono es de 207MPa. Cuando se somete a una fuerza externa que supera este límite, el componente sufrirá una deformación permanente.

Sin embargo, si la fuerza externa es inferior a este límite, el componente recuperará su forma original.

  • Para los materiales que presentan un claro fenómeno de fluencia, el límite elástico se define como la tensión en el punto de fluencia o valor de fluencia.
  • Para los materiales sin un fenómeno de fluencia claro, el límite elástico se determina como la tensión a la que la desviación límite de la relación lineal entre tensión y deformación alcanza un valor especificado, normalmente 0,2% de la longitud de calibre original.

El límite elástico es un índice de evaluación comúnmente utilizado de las propiedades mecánicas de los materiales sólidos y representa el límite de servicio real del material. Cuando la tensión de un material supera su límite elástico, se produce un estrangulamiento y el material experimenta una rápida deformación, lo que provoca daños y lo inutiliza.

Cuando la tensión de un material supera su límite elástico y entra en la fase de fluencia, la velocidad de deformación aumenta. Durante esta etapa, el material experimenta una deformación tanto elástica como plástica. En el punto en el que la deformación plástica aumenta bruscamente, la tensión y la deformación fluctúan ligeramente, dando lugar a la fluencia. Las tensiones máxima y mínima en esta fase se denominan límite elástico superior y límite elástico inferior, respectivamente.

Como el valor del límite inferior de elasticidad es relativamente estable, se considera un indicador fiable de la resistencia del material y suele denominarse límite de elasticidad o límite elástico (ReL o Rp0,2).

Algunos aceros, como acero con alto contenido en carbonono presentan un claro fenómeno de fluencia. En estos casos, el límite elástico se define como la tensión a la que se produce una ligera deformación plástica (0,2%) y se conoce como límite elástico condicional.

Cuando se aplica una fuerza a un material, éste sufre una deformación. Esta deformación puede dividirse en dos tipos: deformación elástica, en la que el material vuelve a su forma original cuando se retira la fuerza externa, y deformación plástica, en la que la forma del material cambia permanentemente, dando lugar a un alargamiento o acortamiento.

El límite elástico del acero de construcción se utiliza como base para determinar la tensión de diseño. El límite elástico, comúnmente simbolizado por σs, es el valor de tensión crítica al que cede el material.

  • Para los materiales que presentan un claro fenómeno de fluencia, el límite elástico se define como la tensión en el punto de fluencia o valor de fluencia.
  • Para los materiales sin un fenómeno de fluencia claro, el límite elástico se determina como la tensión a la que la desviación límite de la relación lineal entre tensión y deformación alcanza un valor especificado, normalmente 0,2% alargamiento del material.

El límite elástico se utiliza habitualmente como índice de evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales sólidos y representa el límite de servicio real del material. Cuando la tensión de un material supera su límite elástico, se produce una deformación plástica y aumenta la tensión, lo que invalida e inutiliza el material.

2. Tipo

1. Rendimiento de las grietas: fenómeno de las grietas y blanqueamiento por tensión.

2. Cesión por cizallamiento.

Determinación del límite elástico

Para los materiales metálicos sin un claro fenómeno de fluencia, se mide el límite elástico no proporcional especificado o el esfuerzo de elongación residual especificado. Para los materiales metálicos que presentan un claro fenómeno de fluencia, se puede medir el límite elástico, el límite elástico superior y el límite elástico inferior.

Normalmente, sólo se mide el límite elástico inferior. Existen dos métodos habituales para determinar el límite elástico superior y el límite elástico inferior: el método gráfico y el método del puntero.

Método gráfico

Durante la prueba, se utiliza un dispositivo de registro automático para trazar el diagrama fuerza-desplazamiento. La tensión, representada por la relación eje-fuerza por milímetro, debe ser generalmente inferior a 10 N/mm^2, y la curva debe prolongarse como mínimo hasta el final de la fase de fluencia.

Para determinar el límite elástico, el límite elástico superior y el límite elástico inferior, se calculan la fuerza constante (Fe) en la plataforma de fluencia de la curva, la fuerza máxima (Feh) antes de la primera caída de la fuerza durante la fase de fluencia y la fuerza mínima (FeL) sin el efecto instantáneo inicial.

El límite elástico puede calcularse mediante la siguiente fórmula Re = Fe/So, donde Fe es la fuerza constante de fluencia.

El límite elástico superior se calcula como sigue Reh = Feh/So, donde Feh es la fuerza máxima antes de la primera caída de fuerza durante la fase de fluencia.

El límite elástico inferior se calcula como sigue ReL = FeL/So, donde FeL es la fuerza mínima sin el efecto instantáneo inicial.

Método de puntero

Durante la prueba, el límite elástico, el límite elástico superior y el límite elástico inferior se determinan midiendo la fuerza constante cuando el puntero del disco de medición de fuerza deja de girar por primera vez, la fuerza máxima antes de que el puntero gire por primera vez y la fuerza mínima que no alcanza el efecto instantáneo inicial, respectivamente.

3. Normas

Existen tres normas de rendimiento de uso común en la ingeniería de la construcción:

  • Curva límite proporcional tensión-deformación: La tensión más alta de la curva que se ajusta a la relación lineal se expresa comúnmente como σp internacional. Cuando la tensión supera σp, se considera que el material empieza a ceder.
  • Límite elástico: El límite elástico se determina descargando la muestra después de la carga y midiendo la tensión máxima que el material puede recuperar elásticamente sin ninguna deformación permanente residual. Suele expresarse internacionalmente como ReL. Se considera que el material cede cuando la tensión supera el ReL.
  • Deformación residual especificada: El límite elástico se basa en una deformación residual especificada, como 0,2% de deformación residual, que se toma comúnmente como límite elástico y se representa por Rp0,2.

4. Factores que influyen

Factores internos que afectan al rendimiento resistencia de los materiales incluyen enlace, estructura, naturaleza atómica, etc. Al comparar el rendimiento resistencia de los metales con la de la cerámica y los polímeros, es evidente que la influencia de la unión es fundamental.

Desde una perspectiva estructural, existen cuatro mecanismos de refuerzo que pueden influir en el límite elástico de los materiales metálicos:

  • Fortalecimiento de la solución
  • Fortalecimiento de la deformación
  • Refuerzo de la precipitación y de la dispersión
  • Fortalecimiento del límite de grano y del subgrano.

El refuerzo por precipitación y el refinamiento del grano son métodos utilizados habitualmente para mejorar el límite elástico de las aleaciones industriales. De estos mecanismos de refuerzo, los tres primeros pueden mejorar la resistencia del material, pero también disminuir su plasticidad. El refinamiento del grano es la única forma de mejorar tanto la resistencia como la plasticidad.

Los factores externos que influyen en el límite elástico son la temperatura, la velocidad de deformación y el estado de tensión. A medida que disminuye la temperatura y aumenta la velocidad de deformación, aumenta el límite elástico de los materiales, especialmente en el caso de los metales cúbicos centrados en el cuerpo. Estos metales son muy sensibles a la temperatura y a la velocidad de deformación, lo que provoca el fallo por fragilidad a baja temperatura en los aceros.

La influencia del estado de tensión también es significativa, ya que el límite elástico es un índice importante que refleja las propiedades internas de los materiales. Sin embargo, los valores del límite elástico pueden variar con los distintos estados de tensión. El límite elástico suele referirse al límite elástico en tensión uniaxial.

5. Importancia del proyecto

Según los métodos tradicionales de cálculo de la resistencia, la tensión admisible [σ] para los materiales plásticos se especifica en función del límite elástico (σys) y se calcula como [σ]=σys/n, donde n es un factor de seguridad que puede oscilar entre 1,1 y 2 o más en función de la situación. Para los materiales frágiles, la tensión admisible [σ] se especifica en función de la resistencia a la tracción (σb) y se calcula como [σ]=σb/n, donde n suele ser 6.

Es importante señalar que el método tradicional de diseño de la resistencia suele dar prioridad a un alto límite elástico de los materiales, lo que puede dar lugar a una menor resistencia a la fractura frágil. A medida que aumenta el límite elástico de los materiales, éstos se vuelven más susceptibles a la corrosión por tensiones y fragilización por hidrógeno. Por el contrario, los materiales con bajo límite elástico tienden a tener una buena conformabilidad por trabajo en frío y soldabilidad.

En conclusión, el límite elástico es un índice crucial en propiedades del material y proporciona una medida aproximada de diversos comportamientos mecánicos y propiedades tecnológicas de los materiales en ingeniería.

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