Diagrama esfuerzo-deformaciónEnviado por Alejandro Pino

Partes: 1, 21. 2. Desarrollo 3. Propiedades mecánicas del acero 4. Conclusión

Introducción El ensayo normal a la tensión se emplea para obtener varias características y resistencias que son útiles en el diseño.El uso de los materiales en las obras de ingeniería hace necesario el conocimiento de las propiedades físicas de aquellos, y para conocer estas propiedades es necesario llevar a cabo pruebas que permitan determinarlas. Organismos como la ASTM (American Society for Testing and Materials) en Estados Unidos, o el ICONTEC en Colombia, se encargan de estandarizar las pruebas; es decir, ponerles límitesdentro de los cuales es significativo realizarlas, ya que los resultados dependen de la forma y el

tamaño de las muestras, la velocidad de aplicación de las cargas, la temperatura y de otras variables.Todos los materiales metálicos tienen una combinación de comportamiento elástico y plástico en mayor o menor proporción.Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el  sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial, la probeta se alargara en dirección de su longitud y se encogerá en el sentido o plano perpendicular. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el ensayo, los dos conceptos son completamente distintos.A escala atómica, la deformación elástica macroscópica se manifiesta como pequeños cambios en el espaciado interatómico y los enlaces interatómicos son estirados. Por consiguiente, la magnitud del módulo de elasticidad representa la resistencia a la separación de los átomos contiguos, es decir, a las fuerzas de enlace interatómicas.A escala atómica, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces entre átomos vecinos más próximos y a la reformación de éstos con nuevos vecinos, ya que un gran número de átomos o moléculas se mueven unos con respecto a otros; al eliminar la tensión no vuelven a sus posiciones originales.

Desarrollo La curva usual Esfuerzo - Deformación (llamada también convencional, tecnológica, de ingeniería o nominal),

expresa tanto el esfuerzo como la deformación en términos de las dimensiones originales de la probeta, un procedimiento muy útil cuando se está interesado en determinar los datos de resistencia y ductilidad para propósito de diseño en ingeniería.Para conocer las propiedades de los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. Estos ensayos se clasifican en destructivos y no destructivos. Dentro de los ensayos destructivos, el más importante es el ensayo de tracción.La curva Esfuerzo real - Deformación real (denominada frecuentemente, curva de fluencia, ya que proporciona el esfuerzo necesario para que el metal fluya plásticamente hacia cualquier deformación dada), muestra realmente lo que sucede en el material. Por ejemplo en el caso de un material dúctil sometido a tensión este se hace inestable y sufre estricción localizada durante la última fase del ensayo y la carga requerida para la deformación disminuye debido a la disminución del área transversal, además la tensión media basada en la sección inicial disminuye también produciéndose como consecuencia un descenso de la curva Esfuerzo - Deformación después del punto de carga máxima. Pero lo que sucede en realidad es que el material continúa endureciéndose por deformación hasta producirse la fractura, de modo que la tensión requerida debería aumentar para producir mayor deformación. A este efecto se opone la disminución gradual del área de la sección transversal de la probeta mientras se produce el

alargamiento. La estricción comienza al alcanzarse la carga máxima.

Diagrama esfuerzo-deformación obtenido a partir del ensayo normal a la tensión de una manera dúctil. El punto P indica el límite de proporcionalidad; E, el límite elástico Y, la resistencia de fluencia convencional determinada por corrimiento paralelo (offset) según la deformación seleccionada OA; U; la resistencia última o máxima, y F, el esfuerzo de fractura o ruptura.El punto P recibe el nombre de límite de proporcionalidad (o límite elástico proporcional). Éste es el punto en que la curva comienza primero a desviarse de una línea recta. El punto E se denomina límite de elasticidad (o límite elástico verdadero). No se presentará ninguna deformación

permanente en la probeta si la carga se suprime en este punto. Entre P y E el diagrama no tiene la forma de una recta perfecta aunque el material sea elástico. Por lo tanto, la ley de Hooke, que expresa que el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación, se aplica sólo hasta el límite elástico de proporcionalidad.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos72/diagrama-esfuerzo-deformacion/diagrama-esfuerzo-deformacion.shtml#ixzz2mwdJrOE5

Muchos materiales alcanzan un estado en el cual la deformación comienza a crecer rápidamente sin que haya un incremento correspondiente en el esfuerzo. Tal punto recibe el nombre de punto de cedencia o punto de fluencia.  Se define la resistencia de cedencia o fluencia Sy mediante el método de corrimiento paralelo.El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Para ello se coloca la probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil.MÁQUINA PARA ENSAYO DE TRACCIÓN

Se utiliza para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas cuasi-estáticas de tensión y compresión, obteniendo sus gráficos de esfuerzo-deformación y su módulo de elasticidad (módulo de Young). Con esta información podemos determinar que tan elástico o plástico será el comportamiento de un material bajo la acción de una fuerza axial actuando sobre él.

La figura 10 ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Figura 10Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamiento final Lf (Figura 11) y el diámetro final Df, que nos dará el área final Af.

Figura 11

Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas %? L:

% RA=  x 100 % ? L =  x 100.Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura 12  permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.

Figura 12El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus ? L) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz.A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-

Deformación ? - ? . El esfuerzo ?, que tiene unidades de fuerza partido por área, ha sido definido anteriormente, la deformación unidimensional:

Para estudiar el comportamiento mecánico de los materiales, se recurre a la experimentación sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y registrando la deformación resultante. Estos datos se expresan en diagramas sl-el como los de la Figura 7, donde toma la forma de curvas similares (en forma) a las obtenidas en los ensayos de succión capilar. En la Figura 7 puede apreciarse un tramo de la curva sl-el donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. Este comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo para pequeñas deformaciones, hasta un límite denominado límite de proporcionalidad, representado en la Figura 7 por el punto a. En este tramo, el comportamiento del material es elástico, esto es, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente, se recorre el mismo tramo de la curva en sentido contrario, hasta alcanzar el punto de origen donde el esfuerzo y la deformación son nulos. La proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación en el tramo de la ley de Hooke permite definir el módulo de Young o módulo de elasticidad (E). Este módulo es la constante de proporcionalidad, de manera que:

Donde el módulo de elasticidad E es positivo (?l y ?l son negativos) y presenta las mismas dimensiones que el esfuerzo ya que ?l es adimensional. El valor del módulo de Young es característico para distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las características mecánicas de los mismos.

Zona elásticaLa zona elástica es la parte donde al retirar la carga el material regresa a su forma y tamaño inicial, en casi toda la zona se presenta una relación lineal entre la tensión y la deformación y tiene aplicación la ley de Hooke. La pendiente en este tramo es el módulo de Young del

material. El punto donde la relación entre ? y ? deja de ser lineal se llama límite proporcional. El valor de la tensión en donde termina la zona elástica, se llama límite elástico, y a menudo coincide con el límite proporcional en el caso del acero.Meseta de fluenciaRegión en donde el material se comporta plásticamente; es decir, en la que continúa deformándose bajo una tensión "constante" o, en la que fluctúa un poco alrededor de un valor promedio llamado límite de cedencia o fluencia.Endurecimiento por deformaciónZona en donde el material retoma tensión para seguir deformándose; va hasta el punto de tensión máxima, llamado por algunos tensión ó resistencia última por ser el último punto útil del gráfico.Zona de tensión post-máximaEn éste último tramo el material se va poniendo menos tenso hasta el momento de la fractura. La tensión de fractura es llamada también tensión última por ser la última tensión que soportó el material.FORMA REAL DE LA CURVA TENSIÓN-DEFORMACIÓNLa curva descrita anteriormente se utiliza en ingeniería, pero la forma real de dicha curva es la siguiente:

Aquí no se presenta una relajación de la tensión, pues sigue aumentando hasta la rotura.Después del punto de carga máxima en el gráfico de ingeniería, comienza a formarse un "cuello" en la probeta; este fenómeno se conoce como estricción.Esta disminución en el área transversal ocurre por deslizamiento debido a tensión cortante en superficies que forman 45° con el eje de la barra.

Sea una barra de acero al bajo carbono (A-36) sujeta a tensión con sección circular.

Designación

ASTMAcero

Formas

Usos

Fy min

Ksi

Fumin

tensión ksi

A-36NOM B-

254Al carbono

Perfiles,

barras y

placas

Puentes, edificios

estructurales en gral.

Atornillados, remachados y soldados

36 e < 8"32 e > 8"

58 – 80

A-529NOM B-

99

Al carbono Perfiles y

placas 

Igual al A-36 42 60-85

e< ½"

A-441NOM B-

284

Al magneso, vanadio de alta

resistencia y baja aleación

Perfiles,

placas y

barrase < 8"

Igual al A-36Tanques

40-50

60-70

A-572NOM B

Alta resistencia y baja aleación

Perfiles,

placas y

barrase< 6"

Construcciones

atornilladas, remaches.

No en puentes soldados

cuando Fy> 55 ksi

42-65

60-80

A-242NOM B-

282

Alta resistencia, baja aleación y

resistente a la corrosió

natmosférica

Perfiles,

placas y

barras e< 4"

Construcciones

soldadas, atornillada,

técnica especial de soldadura

42-50

63-70

A-514 Templados y revenidos

Placas e< 4"

Construcciones soldada especialmen

te. No se usa si se

90-100

100-150

requiere gran

ductilidad

Propiedades mecánicas del acero

 Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta en contacto de fricción con otro material.

Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras  (resistencia al impacto).

Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.Elasticidad: es la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza."Un cuerpo completamente elástico se concibe como uno de los que recobra completamente su forma y dimensiones originales al retirarse la carga". ej: caso de un resorte o hule al cual le aplicamos una fuerza.Plasticidad: es aquella propiedad que permite al material soportar una deformación permanente sin fracturarse.Esfuerzos Cortantes

Si sobre un cuerpo la fuerza se aplica de manera tangente, su deformación se efectúa de la manera que se esquematiza en la figura adjunta.Se dice que la fuerza es una fuerza cortante pura. La deformación producida viene caracterizada por el ángulo a, tal y como se esquematiza en la figura. La tensión se simboliza por la letra t, y vale:

En el caso de fuerzas cortantes sobre cuerpos elásticos de Hooke, la ley se expresa como: t = G•aEn la que la constante de proporcionalidad (G) entre deformaciones angulares y tensiones se denomina módulo de elasticidad transversal o módulo de tensión cortante. Esta constante o módulo no es independiente del de Young, sino que está relacionado con él según la relación:

De la definición del módulo de Poisson (µ) se deduce: e1 = µ•e0, es decir:

ConclusiónLos materiales, en su totalidad, se deforman a una carga externa. Se sabe además que, hasta cierta carga límite el sólido recobra sus dimensiones originales cuando se le descarga. La recuperación de las dimensiones originales al eliminar la carga es lo que caracteriza al comportamiento elástico. La carga límite por encima de la cual ya no se comporta elásticamente es el límite elástico. Al sobrepasar el límite elástico, el cuerpo sufre cierta deformación permanente al ser descargado, se dice entonces que ha sufrido deformación plástica.El comportamiento general de los materiales bajo carga se puede clasificar como dúctil o frágil según que el material muestre o no capacidad para sufrir deformación plástica. Los materiales dúctiles exhiben una curva Esfuerzo - Deformación que llega a su máximo en el punto de resistencia a la tensión. En materiales más frágiles, la carga máxima o resistencia a la tensión ocurre en el punto de falla. En materiales extremadamente frágiles, como los cerámicos, el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la tensión y el esfuerzo de ruptura son iguales.La deformación elástica obedece a la Ley de Hooke  La constante de proporcionalidad E llamada módulo de elasticidad o de Young, representa la pendiente del segmento lineal de la gráfica Esfuerzo - Deformación, y puede ser interpretado como la rigidez, o sea, la resistencia

del material a la deformación elástica. En la deformación plástica la Ley de Hooke deja de tener validez. 

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¿Qué es la ductilidad? Ventajas Parámetros Ductilidad - Trefilado en frío vs. Laminado Fatiga y cargas cíclicas

" LA DUCTILIDAD DE UN ACERO SOMETIDO A TRACCIÓN ES LA CAPACIDAD PARA DEFORMARSE BAJO CARGA SIN ROMPERSE, UNA VEZ SUPERADO EL LÍMITE ELÁSTICO " 

     

" UNA ESTRUCTURA DÚCTIL CUANDO ESTÁ PRÓXIMA AL COLAPSO ADVIERTE DE SU SITUACIÓN EXPERIMENTANDO GRANDES DEFORMACIONES E IMPORTANTE FISURACIÓN " 

" SI LA ESTRUCTURA ES FRÁGIL EL COLAPSO SE ALCANZA SIN PREVIO AVISO, CON PEQUEÑOS DEFORMACIONES Y FISURACIÓN REDUCIDA "

¿Qué es la ductilidad?Todo elemento de hormigón armado, por ejemplo, una viga, está formado por dos materiales: 

HORMIGÓN Y ARMADURAS DE ACERO 

     

Si la viga la hacemos de hormigón y sin armaduras (sin barras), la apoyamos en ambos extremos y en su parte central, y la cargamos sucesivamente mediante pesos en ambos lados, puede ocurrir que: 

Al colocar el primer peso, la viga se deforme un poco.

Al colocar el segundo peso, la viga se rompe súbitamente.

Esto se produce porque el hormigón es un material frágil; no tiene ductilidad

FRAGIL = NO DÚCTIL 

En cambio, si a la viga de hormigón le incorporamos barras de acero procediendo de la misma manera que en el caso anterior, el resultado sería éste: 

Al colocar el peso 1, la viga se deforma un poco.

Al colocar el peso 2, la viga continúa deformándose.

Al colocar el peso 3, la viga se deforma un poco más y aparecen pequeñas grietas.

Al colocar el peso 4, la viga se deforma más y surgen grietas mayores

En general, la viga será más dúctil cuanto más dúctil sea el acero.

Ventajas

En el supuesto de que nos encontrásemos en cualquiera de las siguientes situaciones, con toda seguridad preferiríamos que el edificio se deformara aunque lo dejara fuera de uso, a que se viniera abajo repentinamente sin posibilidad de desalojo a tiempo.

Acciones sísmicas.

Actuación de cargas superiores a las previstas, como por ejemplo:

Por colocar estanterías con grandes pesos en zonas de forjados diseñadas para cargas de viviendas. Por la entrada de vehículos pesados (camiones) en aparcamientos subterráneos calculados para

coches. Por la inundación de un forjado o de una azotea. Por el fallo de la cimentación ocasionada por la ejecución de obras próximas, por problemas de

filtración de agua, etc.

"Una estructura dúctil, cuando está próxima al colapso advierte de su situación experimentando grandes deformaciones e importante fisuración". 

"Si la estructura es frágil, el colapso se alcanza sin previo aviso, con pequeñas deformaciones y fisuración reducida"

Parámetros

Hasta ahora hemos visto qué se precisa para que una viga de hormigón armado sea dúctil, a continuación veremos que hay aceros que casi no tienen ductilidad y, en cambio, otros son muy dúctiles. 

El comportamiento de un acero viene definido por la curva de tensión - deformación correspondiente al ensayo de tracción. Para obtenerla se coge una muestra de una barra de acero y se sujetan ambos extremos mediante unas mordazas. Luego, se estira la barra por uno de sus extremos. A medida que estiramos, la barra se alarga. Si anotamos el alargamiento que experimenta la barra para cada fuerza que aplicamos obtenemos la curva tensión - deformación de ese acero. 

A grandes rasgos, hay dos tipos de curvas de tensión-deformación según sea el acero laminado en frío, tipo "T" (acero frágil) o laminado en caliente, tipos "S" y "SD", (aceros dúctiles) . 

Los parámetros que definen el grado de ductilidad de un acero son: 

La relación tensión de rotura-límite elástico, (fs / fy). El alargamiento de rotura sobre la base de 5 diámetros, A5.

La Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) exige para cada tipo de acero, unos valores mínimos de estos parámetros que deben cumplirse simultáneamente. 

En la actualidad, existe otro parámetro de deformación alternativo al A5 para definir la ductilidad, y recibe el nombre de "AGT". Se define por "AGT" al alargamiento uniforme alcanzado bajo carga máxima. 

Cuanto mayores sean la relación (fs / fy) y el A5 (o "AGT") mayor será la ductilidad del acero. 

TIPO DE ACERO fs/fy A5 AGTGRADO

DUCTILIDAD

TIPO "T" (B 500 T) ≥ 1,03 ≥ 8% ≥ 2,15 Reducida

TIPO "S" (B 400 S- B 500 S) ≥ 1,05 ≥ 14% - 12% ≥ 5% Normal

TIPO "S" (B 400 SD- B 500 SD) ≥ 1,20 - 1,15 ≥ 20 % - 16% ≥ 9 % - 8% Especial

La Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) exige para cada tipo de acero, unos valores mínimos de estos parámetros que deben cumplirse simultáneamente.

Ductilidad - Trefilado en frío vs. Laminado

Curva tensión-deformación de un acero laminado en frío. Tipo "T". 

1. Rama elástica. (Lineal). Al principio del ensayo cuando aplicamos una fuerza F1 la barra se alarga una longitud "l1", si aplicamos el doble de fuerza F2=2 x F1, labarra se alarga el doble l2 = 2 x l1. 

Además, si dejamos de aplicar la fuerza, la barra recupera su longitud original. Este comportamiento elástico es el que se refleja en este tramo de la curva hasta alcanzarse el límite elástico (fy)del acero. 

2. Rama no elástica. (Curva). Una vez sobrepasamos el límite elástico, la deformación continúa para incrementos de carga muy pequeños hasta que se alcanza la tensión de rotura o carga máxima (fs), carga bajo la cual se produce la rotura de la probeta. Si dejamos de aplicar la carga sólo se recupera la deformación elástica. Durante el transcurso del ensayo, la sección inicial de la probeta disminuye hasta alcanzar la mínima sección cuando rompe.

En un acero laminado en frío el límite elástico es difícil de visualizar porque está muy próximo a la carga de rotura.  

La relación (fs / fy) y el "AGT" son muy pequeños. 

Curva tensión-deformación de un acero laminado en caliente. Tipos "S" y "D". 

La curva tensión-deformación de un acero laminado en caliente tiene una fase elástica muy similar al de un acero laminado en frío, pero la diferencia fundamental entre ambos comportamientos se manifiesta una vez superado el límite elástico. 

En este caso, una vez alcanzado dicho límite, se produce una deformación que marca el cambio entre el comportamiento elástico y el plástico, el cual está reflejado en la curva por el "escalón de cedencia". Así, el límite elástico esta perfectamente definido a diferencia del caso anterior. A partir de este punto, para incrementos pequeños de carga la deformación continúa y es muy superior a la experimentada por un acero laminado en frío. 

Los parámetros de la ductilidad : 

la relación (fs / fy) y el "AGT" son muy superiores a los de un acero laminado en frío.

Fatiga y cargas cíclicas

Una carga, siempre de tracción, de valor inferior al límite elástico del acero puede provocar la rotura del mismo si se aplica repetidamente. Este fenómeno es la fatiga. 

Este sería el caso del efecto producido por cargas móviles de importancia como ferrocarriles, puentes grúa, etc. 

Por ello, la nueva Instrucción EHE exige que los aceros superen 2.000.000 de ciclos de carga en unas determinadas condiciones especificadas en su articulado 

LOS PRODUCTOS "DUCTICELSA 500 SD", "NERVADÚCTIL 500 SD", "CELSAFER 500 SD", "DUCTICELSA 400 SD", "NERVADÚCTIL 400 SD", "CELSAFER-D 400 SD" Y LAS "MALLAS AGT 8" Y "AGT 9" CUMPLEN LAS

CONDICIONES DE FATIGA EXIGIDAS POR LA EHE.

 

Ahora nos referimos a aquellos casos en que las tensiones en el acero pasan repetidamente de ser tracciones a ser compresiones. 

El comportamiento que experimenta el acero frente a este tipo de cargas, como es el caso de las producidas por los terremotos, es muy distinto del de la fatiga. 

La alternancia de tracciones y compresiones en las armaduras produce un efecto destructivo del acero muy superior al que genera la fatiga.