Resistencia de los materiales

• Carga transversal : Fuerzas aplicadas perpendicularmente al eje longitudinal de un elemento. La carga transversal provoca que el elemento se doble y se desvíe de su posición original, con deformaciones internas de tracción y compresión que acompañan al cambio de curvatura del elemento. ^{[ 1 ]} La carga transversal también induce fuerzas cortantes que provocan deformación por cortante del material y aumentan la deflexión transversal del elemento.
• Carga axial: Las fuerzas aplicadas son colineales con el eje longitudinal del elemento. Estas fuerzas provocan que el elemento se estire o se acorte. ^{[ 2 ]}
• Carga torsional : Acción de torsión causada por un par de fuerzas externas iguales y de dirección opuesta que actúan sobre planos paralelos, o por un único par externo aplicado a un elemento que tiene un extremo fijo para evitar la rotación.

La tensión uniaxial se expresa mediante

${\displaystyle \sigma ={\frac {F}{A}},}$

donde F es la fuerza que actúa sobre un área A. ^{[ 3} ] El área puede ser el área no deformada o el área deformada, dependiendo de si se está interesado en la tensión de ingeniería o en la tensión ^real .

• La tensión de compresión (o compresión ) es el estado de tensión provocado por una carga aplicada que reduce la longitud del material ( elemento sometido a compresión ) a lo largo del eje de la carga; en otras palabras, es un estado de tensión que causa la compresión del material. Un caso simple de compresión es la compresión uniaxial inducida por la acción de fuerzas opuestas que empujan. La resistencia a la compresión de los materiales suele ser mayor que su resistencia a la tracción. Sin embargo, las estructuras sometidas a compresión están sujetas a modos de fallo adicionales, como el pandeo , que dependen de la geometría del elemento.
• La tensión de tracción es el estado de tensión provocado por una carga aplicada que tiende a alargar el material a lo largo del eje de la carga; en otras palabras, la tensión causada por el estiramiento del material. La resistencia de las estructuras de igual área de sección transversal sometidas a tracción es independiente de la forma de dicha sección. Los materiales sometidos a tracción son susceptibles a concentraciones de tensión , como defectos del material o cambios bruscos en la geometría. Sin embargo, los materiales con comportamiento dúctil (muchos metales, por ejemplo) pueden tolerar ciertos defectos, mientras que los materiales frágiles (como la cerámica y algunos aceros) pueden fallar muy por debajo de su resistencia máxima.
• La tensión cortante es el estado de tensión causado por la energía combinada de un par de fuerzas opuestas que actúan paralelamente a lo largo de líneas de acción a través del material; en otras palabras, la tensión causada por el deslizamiento relativo de las caras del material. Un ejemplo es cortar papel con tijeras ^{[ 4 ]} o las tensiones debidas a la carga torsional.

La resistencia de un material puede expresarse mediante diversos parámetros de tensión mecánica . El término resistencia del material se utiliza al referirse a estos parámetros. Se trata de magnitudes físicas con dimensiones homogéneas a la presión y la fuerza por unidad de superficie . Por lo tanto, la unidad de medida tradicional para la resistencia es el MPa en el Sistema Internacional de Unidades y el psi en el sistema de unidades estadounidense . Los parámetros de resistencia incluyen: límite elástico, resistencia a la tracción, resistencia a la fatiga, resistencia al agrietamiento y otros parámetros.

• El límite elástico es la tensión mínima que produce una deformación permanente en un material. En algunos materiales, como las aleaciones de aluminio , el punto de fluencia es difícil de identificar, por lo que generalmente se define como la tensión necesaria para causar una deformación plástica del 0,2 %. Esto se denomina límite elástico del 0,2 %. ^{[ 5 ]}

• La resistencia a la compresión es un estado límite de tensión de compresión que conduce a la falla de un material de manera dúctil (fluencia teórica infinita) o frágil (rotura como resultado de la propagación de grietas o deslizamiento a lo largo de un plano débil; véase resistencia al corte ).
• La resistencia a la tracción o resistencia máxima a la tracción es un estado límite de tensión que conduce a la falla por tracción, ya sea dúctil (cedencia como primera etapa, cierto endurecimiento en la segunda etapa y rotura tras la posible formación de un estrechamiento) o frágil (rotura repentina en dos o más piezas a baja tensión). La resistencia a la tracción puede expresarse como tensión real o tensión de ingeniería, aunque esta última es la más utilizada.
• La resistencia a la fatiga es una medida más compleja de la resistencia de un material que considera varios episodios de carga en el período de servicio de un objeto, ^{[ 6 ]} y suele ser más difícil de evaluar que las medidas de resistencia estática. La resistencia a la fatiga se cita aquí como un rango simple (${\displaystyle \Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }}$). En el caso de carga cíclica , se puede expresar adecuadamente como una amplitud , generalmente a tensión media cero, junto con el número de ciclos hasta la falla bajo esa condición de tensión.

• La resistencia al impacto es la capacidad de un material para soportar una carga aplicada repentinamente y se expresa en términos de energía. A menudo se mide con el ensayo de resistencia al impacto Izod o el ensayo de impacto Charpy , los cuales miden la energía de impacto necesaria para fracturar una muestra. El volumen, el módulo de elasticidad , la distribución de fuerzas y el límite elástico afectan la resistencia al impacto de un material. Para que un material u objeto tenga una alta resistencia al impacto, las tensiones deben distribuirse uniformemente en todo el objeto. También debe tener un gran volumen con un módulo de elasticidad bajo y un límite elástico alto. ^{[ 7 ]}

• La deformación del material es el cambio en la geometría que se produce al aplicarle una tensión (como resultado de fuerzas aplicadas, campos gravitatorios, aceleraciones, dilatación térmica , etc.). La deformación se expresa mediante el campo de desplazamiento del material. ^{[ 8 ]}
• La deformación , o deformación reducida , es un término matemático que expresa la tendencia del cambio de deformación en el campo del material. La deformación es la deformación por unidad de longitud. ^{[ 9 ]} En el caso de carga uniaxial, el desplazamiento de una muestra (por ejemplo, un elemento de barra) conduce al cálculo de la deformación, que se expresa como el cociente entre el desplazamiento y la longitud original de la muestra. Para campos de desplazamiento 3D, se expresa como derivadas de funciones de desplazamiento en términos de un tensor de segundo orden (con 6 elementos independientes).
• La deflexión es un término que describe la magnitud en la que se desplaza un elemento estructural cuando se le aplica una carga. ^{[ 10 ]}

• La elasticidad es la capacidad de un material para recuperar su forma original tras la liberación de la tensión. En muchos materiales, la relación entre la tensión aplicada y la deformación resultante es directamente proporcional (hasta cierto límite), y la gráfica que representa estas dos magnitudes es una línea recta. La pendiente de esta línea es el módulo de elasticidad, uno de los varios tipos que dependen de la deformación específica que se esté analizando: módulo volumétrico , módulo de cizalladura , módulo de Young o módulo de onda P (dos de ellos son suficientes para conocer los otros dos). El módulo de elasticidad se puede utilizar para determinar la relación tensión-deformación en la porción lineal-elástica de la curva tensión-deformación. La región lineal-elástica se encuentra por debajo del límite elástico o, si este no se identifica fácilmente en la gráfica tensión-deformación, se define típicamente entre el 0 % y el 0,2 % de deformación, y siempre se define como una región de deformación en la que no se produce fluencia (deformación permanente). ^{[ 11 ]}

• La plasticidad o deformación plástica es lo opuesto a la deformación elástica y se define como una deformación irreversible. La deformación plástica se mantiene tras la liberación de la tensión aplicada. La mayoría de los materiales elásticos lineales suelen ser capaces de deformarse plásticamente. Los materiales frágiles, como la cerámica, no experimentan deformación plástica y se fracturan con una tensión relativamente baja, mientras que los materiales dúctiles, como los metales, el plomo o los polímeros, se deforman plásticamente mucho más antes de que se inicie la fractura.

Consideremos la diferencia entre una zanahoria y un chicle masticado. La zanahoria se estira muy poco antes de romperse. El chicle masticado, en cambio, se deforma plásticamente enormemente antes de romperse definitivamente.

Existen cuatro teorías de falla: la teoría de la tensión cortante máxima, la teoría de la tensión normal máxima, la teoría de la energía de deformación máxima y la teoría de la energía de distorsión máxima (criterio de falla de von Mises). De estas cuatro teorías, la de la tensión normal máxima solo es aplicable a materiales frágiles, mientras que las tres restantes son aplicables a materiales dúctiles. De estas tres últimas, la teoría de la energía de distorsión proporciona los resultados más precisos en la mayoría de las condiciones de tensión. La teoría de la energía de deformación requiere el valor del coeficiente de Poisson del material de la pieza, que a menudo no está disponible. La teoría de la tensión cortante máxima es conservadora. Para tensiones normales unidireccionales simples, todas las teorías son equivalentes, lo que significa que todas darán el mismo resultado.

• La teoría de la tensión cortante máxima postula que la falla ocurrirá si la magnitud de la tensión cortante máxima en la pieza excede la resistencia al corte del material determinada a partir de ensayos uniaxiales.
• La teoría de la tensión normal máxima postula que la falla ocurrirá si la tensión normal máxima en la pieza excede la resistencia a la tracción máxima del material, determinada mediante ensayos uniaxiales. Esta teoría se aplica únicamente a materiales frágiles. La tensión de tracción máxima debe ser menor o igual a la resistencia a la tracción máxima dividida por el factor de seguridad. La magnitud de la tensión de compresión máxima debe ser menor que la resistencia a la compresión máxima dividida por el factor de seguridad.
• La teoría de la energía de deformación máxima postula que la falla ocurrirá cuando la energía de deformación por unidad de volumen debida a las tensiones aplicadas en una pieza sea igual a la energía de deformación por unidad de volumen en el punto de fluencia en un ensayo uniaxial.
• La teoría de la energía de distorsión máxima , también conocida como teoría de la energía de distorsión máxima de falla o teoría de von Mises-Hencky , postula que la falla ocurrirá cuando la energía de distorsión por unidad de volumen debida a las tensiones aplicadas en una pieza sea igual a la energía de distorsión por unidad de volumen en el punto de fluencia en un ensayo uniaxial. La energía elástica total debida a la deformación se puede dividir en dos partes: una parte causa un cambio de volumen y la otra un cambio de forma. La energía de distorsión es la cantidad de energía necesaria para cambiar la forma.
• La mecánica de fractura fue establecida por Alan Arnold Griffith y George Rankine Irwin . Esta importante teoría también se conoce como conversión numérica de la tenacidad del material en presencia de grietas.

La resistencia de un material depende de su microestructura . Los procesos de ingeniería a los que se somete un material pueden alterar su microestructura. Entre los mecanismos de endurecimiento que modifican la resistencia de un material se incluyen el endurecimiento por deformación , el endurecimiento por solución sólida , el endurecimiento por precipitación y el endurecimiento por límites de grano .

Los mecanismos de refuerzo conllevan la salvedad de que algunas otras propiedades mecánicas del material pueden degradarse en un intento por aumentar su resistencia. Por ejemplo, en el refuerzo de los límites de grano, si bien el límite elástico se maximiza al disminuir el tamaño del grano, en última instancia, los tamaños de grano muy pequeños hacen que el material sea frágil. En general, el límite elástico de un material es un indicador adecuado de su resistencia mecánica. Si se considera junto con el hecho de que el límite elástico es el parámetro que predice la deformación plástica en el material, se pueden tomar decisiones informadas sobre cómo aumentar la resistencia de un material en función de sus propiedades microestructurales y el efecto final deseado. La resistencia se expresa en términos de los valores límite de la tensión de compresión , la tensión de tracción y las tensiones cortantes que causarían la falla. Los efectos de la carga dinámica son probablemente la consideración práctica más importante de la teoría de la elasticidad, especialmente el problema de la fatiga . La carga repetida a menudo inicia grietas, que crecen hasta que se produce la falla a la resistencia residual correspondiente de la estructura. Las grietas siempre comienzan en concentraciones de tensión, especialmente en cambios en la sección transversal del producto o defectos de fabricación, cerca de agujeros y esquinas, a niveles de tensión nominales mucho más bajos que los indicados para la resistencia del material.