¿Qué es el esfuerzo de cedencia y cómo obtenerlo?
El esfuerzo de cedencia se define como el esfuerzo necesario para que un objeto empiece a deformarse permanentemente, es decir, que experimente una deformación plástica sin llegar a romperse o fracturarse.
Como este límite puede resultar un poco impreciso para algunos materiales y la precisión del equipo utilizado es un factor de peso, en ingeniería se ha determinado que el esfuerzo de cedencia en metales como el acero estructural es aquel que produce un 0.2% de deformación permanente en el objeto.
Conocer el valor del esfuerzo de cedencia es importante para saber si el material es apropiado para el uso que se le quiera dar a las partes fabricadas con él. Cuando una pieza se ha deformado más allá del límite elástico, posiblemente no pueda realizar correctamente la función a la que estaba destinada y debe ser sustituida.
Para obtener este valor, usualmente se realizan pruebas sobre muestras hechas con el material (probetas o especímenes), las cuales se someten a diversos esfuerzos o cargas, mientras se mide la elongación o estiramiento que experimentan con cada una. A estas pruebas se las conoce como ensayos de tracción.
Para realizar un ensayo de tracción se comienza aplicando una fuerza desde cero y se va incrementando gradualmente el valor hasta que la muestra se rompe.
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Los pares de datos obtenidos mediante el ensayo de tracción se grafican colocando la carga en el eje vertical y la deformación en el eje horizontal. El resultado es una gráfica como la que se muestra a continuación (figura 2), denominada curva esfuerzo-deformación para el material.
A partir de ella se determinan muchas propiedades mecánicas importantes. Cada material tiene una curva esfuerzo-deformación propia. Por ejemplo, una de las más estudiadas es la del acero estructural, también llamado acero dulce o de bajo carbono. Se trata de un material ampliamente utilizado en la construcción.
La curva esfuerzo-deformación posee zonas distintivas en las cuales el material tiene cierto comportamiento de acuerdo a la carga aplicada. Su forma exacta puede variar considerablemente, pero sin embargo tienen algunas características en común que se describen a continuación.
Para lo que sigue véase la figura 2, que corresponde en términos muy generales al acero estructural.
La zona que va desde O hasta A es la zona elástica, donde es válida la Ley de Hooke, en la cual el esfuerzo y la deformación son proporcionales. En esta zona el material se recobra totalmente después de la aplicación del esfuerzo. El punto A se conoce como límite de proporcionalidad.
En algunos materiales la curva que va de O a A no es una recta, pero sin embargo no por ello dejan de ser elásticos. Lo importante es que recobren su forma original cuando la carga cesa.
Enseguida tenemos la región de A hasta B, en el cual la deformación aumenta más rápidamente con el esfuerzo, dejando de ser ambos proporcionales. La pendiente de la curva disminuye y en B se vuelve horizontal.
A partir del punto B el material ya no recupera su forma original y se considera que el valor del esfuerzo en dicho punto es el del esfuerzo de cedencia.
La zona que desde B hasta C se denomina zona de cedencia o fluencia del material. Allí la deformación prosigue pese a que la carga no está aumentando. Incluso pudiera disminuir, por eso se dice que el material en esta condición es perfectamente plástico.
En la región que va desde C hasta D se presenta un endurecimiento por deformación, en la cual el material presenta alteraciones en su estructura a nivel molecular y atómico, que hacen necesarios mayores esfuerzos para lograr deformaciones.
Por eso la curva experimenta un crecimiento que finaliza al alcanzar el esfuerzo máximo σmax.
Desde D hasta E aún hay deformación posible pero con menos carga. Se forma una especie de adelgazamiento en la muestra (probeta) llamada estricción, que conduce finalmente a que en el punto E se observe la fractura. No obstante ya en el punto D el material se puede considerar que está roto.
El límite elástico Le de un material es el esfuerzo máximo que puede soportar sin perder la elasticidad. Se calcula mediante el cociente entre la magnitud de la fuerza máxima Fm y el área de sección transversal de la muestra A.
Le = Fm / A
Las unidades del límite elástico en Sistema Internacional son N/m2 o Pa (Pascales) ya que se trata de un esfuerzo. El límite elástico y el límite de proporcionalidad en el punto A son valores muy cercanos.
Pero como se dijo al comienzo, puede no ser sencillo determinarlos. El esfuerzo de cedencia obtenido a través de la curva esfuerzo-deformación es la aproximación práctica al límite elástico que se utiliza en ingeniería.
Para obtenerlo se traza una recta paralela a la línea que corresponde a la zona elástica (la que obedece la ley de Hooke) pero desplazada aproximadamente un 0.2% sobre la escala horizontal o 0.002 plg por pulgada de deformación.
Esta línea se extiende hasta intersectar la curva en un punto cuya coordenada vertical es el valor buscado del esfuerzo de cedencia, denotado como σy, tal como se aprecia en la figura 3. Esta curva pertenece a otro material dúctil: el aluminio.
Dos materiales dúctiles como acero y aluminio tienen curvas esfuerzo-deformación diferentes. El aluminio por ejemplo, no presenta el tramo aproximadamente horizontal del acero que se aprecia en la sección precedente.
Otros materiales considerados frágiles como el vidrio, no pasan por las etapas descritas anteriormente. La ruptura ocurre mucho antes de que ocurran deformaciones apreciables.
– Los esfuerzos considerados en principio no toman en cuenta la modificación que sin duda se produce en el área de la sección transversal de la probeta. Esto induce un error pequeño que se corrige graficando los esfuerzos reales, aquellos que toman en cuenta la reducción del área a medida que aumenta la deformación de la probeta.
– Las temperaturas consideradas son normales. Algunos materiales dúctiles a bajas temperaturas dejan de serlo, mientras que otros frágiles se comportan como dúctiles a mayores temperaturas.
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