Resistencia y rigidez del material

 

Resistencia y rigidez del material

La probeta de ensayo estándar se usa para obtener una variedad de características y resistencias de los materiales que se emplean en el diseño. En la figura 2-1 se ilustra una probeta para prueba de tensión típica y sus dimensiones características.1 El diámetro original d0 y la longitud calibrada l0, que se usan para medir las deflexiones, se registran antes de comenzar la prueba. Después, la probeta se monta en la máquina de pruebas y se carga lentamente en tensión mientras se observan la carga P y la deflexión. La carga se convierte en esfuerzo mediante la fórmula

La deflexión, o extensión de la longitud calibrada, está dada por l − l0 donde l es la longitud calibrada correspondiente a la carga P. La deformación unitaria normal se calcula a partir de

Resistencia y trabajo en frío

El trabajo en frío es el proceso de deformación plástica por debajo de la temperatura de recristalización en la región plástica del diagrama esfuerzo-deformación unitaria. Los materiales pueden deformarse plásticamente mediante la aplicación de calor, como en la herrería o en el laminado en caliente; pero las propiedades mecánicas resultantes son muy diferentes de las que se obtienen mediante el trabajo en frío.

la deformación unitaria total consiste en dos componentes Ep y Ee y está dada por la ecuación

Este material puede descargarse y volverse a cargar cualquier número de veces desde y hasta el punto i, y se encuentra que la acción siempre ocurre a lo largo de la línea recta que es aproximadamente paralela a la línea elástica inicial Oy. Así,

La reducción del área correspondiente a la carga Pf , en la fractura, se define como

factor de trabajo en frío W se define como

donde A¨i corresponde al área después de la liberación de la carga Pi.

El trabajo en frío de un material produce un nuevo conjunto de valores de las resistencias, los diagramas esfuerzo-deformación unitaria. Datsko describe la región plástica del diagrama de esfuerzo verdadero-deformación unitaria verdadera mediante la ecuación

Ejercicio 1

Un acero AISI 1018 recocido (vea la tabla A-22) tiene Sy = 32.0 kpsi, Su = 49.5 kpsi, σf = 91.1 kpsi,  σ0 = 90 kpsi, m = 0.25 y εf = 1.05 pulg/pulg.

Calcule los nuevos valores de las resistencias, si el material se trabaja en frío un 15 por ciento.

Ejercicio 2

La tensión de una pieza de acero al medio carbono con un diámetro inicial de 0.503 pulg se probó en

tensión usando una longitud calibrada de 2 pulg. Se obtuvieron los datos siguientes de los estados elástico y plástico: Observe que hay una superposición de datos. Grafique el diagrama de esfuerzo-deformación unitaria de ingeniería o nominal mediante dos escalas de la deformación unitaria E, una desde cero hasta aproximadamente 0.02 pulg/pulg y la otra desde cero hasta la deformación unitaria máxima. A partir de este diagrama, encuentre el módulo de elasticidad, la resistencia a la fluencia por corrimiento de 0.2 por ciento, la resistencia última y el porcentaje de reducción del área.

Ejercicio 3

A un acero AISI 1212 laminado en caliente se le da un trabajo en frío de 20 por ciento. Determine los

nuevos valores de la resistencia a la fluencia y la resistencia última.

Propiedades de impacto

Una fuerza externa aplicada a una estructura o a una parte se llama carga de impacto si el tiempo de aplicación es menor que un tercio del periodo natural de vibración mínimo de la parte o de la estructura. De otro modo, se llama simplemente carga estática.

En las pruebas de barras con muesca de Charpy (muy usados) e Izod (utilizados muy pocas veces) se emplean barras con geometrías específicas para determinar la fragilidad y la resistencia al impacto. Estas pruebas son útiles para comparar varios materiales y determinar la fragilidad a baja temperatura. En ambas pruebas la pieza se golpea con un péndulo que se suelta desde una altura fija, y la energía absorbida por la pieza, llamada valor de impacto, puede calcularse a partir de la altura de giro después de la fractura, pero se lee en una carátula, que, en esencia, “calcula” el resultado. En la figura 2-7 se presenta el efecto de la temperatura sobre los valores de impacto de un material que presenta una transición de dúctil a frágil, la cual no todos los materiales presentan.

Observe la región angosta de las temperaturas críticas donde el valor de impacto se incrementa muy rápido. En la región de baja temperatura la fractura aparece como frágil, de tipo astillante, mientras que la apariencia es tenaz, de tipo desgarrante por encima de la región de temperatura crítica, la que parece que depende del material y la geometría de la muesca. Por esta razón, los diseñadores no deben basarse sólo en los resultados de los ensayos de barras con muesca.

La rapidez promedio de deformación unitaria que se utiliza para obtener el diagrama esfuerzo- deformación unitaria es aproximadamente 0.001 pulg/(pulg ⋅ s) o menor. Cuando la rapidez de deformación unitaria se incrementa, como sucede en las condiciones de impacto, las resistencias aumentan, como se muestra en la figura 2-8. De hecho, a velocidades de deformación unitaria muy altas, la resistencia a la fluencia parece aproximarse a la resistencia última como un límite. Sin embargo, observe que la elongación de las curvas muestra poco cambio.

Esto significa que la ductilidad permanece más o menos igual. Asimismo, en vista del gran incremento

en la resistencia a la fluencia, se podría esperar que un acero dulce se comportara en forma elástica, a través de todo el intervalo de su longitud, bajo condiciones de impacto.