Nick Connor

En la figura se muestra un diagrama esquemático de la curva de tensión-deformación del acero con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente. Hay varias etapas que muestran diferentes comportamientos, lo que sugiere diferentes propiedades mecánicas. Para aclarar, los materiales pueden perder una o más etapas que se muestran en la figura, o tener etapas totalmente diferentes. En este caso, tenemos que distinguir entre las características de tensión-deformación de los materiales dúctiles y frágiles . Los siguientes puntos describen las diferentes regiones de la curva tensión-deformación y la importancia de varias ubicaciones específicas.

• Límite proporcional . El límite proporcional corresponde a la ubicación de la tensión al final de la región lineal , por lo que el gráfico de tensión-deformación es una línea recta y el gradiente será igual al módulo elástico del material. Para el esfuerzo de tracción y compresión, la pendiente de la parte de la curva donde el esfuerzo es proporcional a la deformación se denomina módulo de Young y se aplica la ley de Hooke . Entre el límite proporcional y el punto de fluencia, la ley de Hooke se vuelve cuestionable y la tensión aumenta más rápidamente.
• Punto de rendimiento . El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
• Máxima resistencia a la tracción . La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «la máxima resistencia». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
• Punto de fractura : el punto de fractura es el punto de deformación donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción (UTS), mientras que en los materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura.

Dúctil frente a quebradizo: curvas tensión-deformación

La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material quebradizo. Un material dúctil es un material donde la resistencia es pequeña y la región plástica es grande. El material soportará más tensión (deformación) antes de fracturarse. Un material quebradizo es un material donde la región plástica es pequeña y la resistencia del material es alta. La prueba de tracción proporciona tres hechos descriptivos sobre un material. Éstos son los esfuerzos en los que comienza la deformación plástica observable o «ceder»; la última resistencia a la tracción o la máxima intensidad de carga que se puede transportar en tensión; y el porcentaje de alargamiento o deformación (la cantidad que se estirará el material) y el porcentaje de reducción correspondiente del área de la sección transversal causada por el estiramiento. También se puede determinar el punto de rotura o fractura.

Algunos materiales se rompen de forma muy brusca, sin deformación plástica, en lo que se denomina rotura por fragilidad. Otros, que son más dúctiles, incluida la mayoría de los metales, experimentan cierta deformación plástica y posiblemente un estrechamiento antes de fracturarse. Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos categorías amplias; a saber:

• Materiales dúctiles . La ductilidad es la capacidad de un material para alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material quebradizo. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad.
• Materiales frágiles . Los materiales quebradizos, cuando se someten a tensiones, se rompen con poca deformación elástica y sin deformaciones plásticas significativas. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil (hendidura transgranular), no se produce una deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Curva de tensión-deformación

En la figura se muestra un diagrama esquemático de la curva de tensión-deformación del acero con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente. Hay varias etapas que muestran diferentes comportamientos, lo que sugiere diferentes propiedades mecánicas. Para aclarar, los materiales pueden perder una o más etapas que se muestran en la figura, o tener etapas totalmente diferentes. En este caso, tenemos que distinguir entre las características de tensión-deformación de los materiales dúctiles y frágiles . Los siguientes puntos describen las diferentes regiones de la curva tensión-deformación y la importancia de varias ubicaciones específicas.

Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a "resistencia a la tracción" o incluso a "la máxima resistencia". Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Endurecimiento por deformación

Una de las etapas de la  curva tensión-deformación  es la  región de endurecimiento por deformación . Esta región comienza cuando la deformación va  más allá del límite de fluencia y termina en el punto de resistencia máxima, que es la tensión máxima que se muestra en la curva de tensión-deformación. En esta región, la tensión aumenta principalmente a medida que el material se alarga, excepto que hay una región casi plana al principio. El endurecimiento por deformación  también se denomina  endurecimiento por trabajo  o trabajo en  frío . Se llama trabajo en frío porque la deformación plástica debe ocurrir a una temperatura lo suficientemente baja como para que los átomos no puedan reorganizarse. Es un proceso de hacer un metal más duro y más fuerte a través de la deformación plástica. Cuando un metal se deforma plásticamente, las dislocaciones se  mueven y se generan dislocaciones adicionales. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. La densidad de la dislocación en un metal aumenta con la deformación o el trabajo en frío debido a la multiplicación de la dislocación o la formación de nuevas dislocaciones. Cuantas más dislocaciones haya dentro de un material, más interactuarán y se enredarán o enredarán. Esto dará como resultado una disminución de la movilidad de las dislocaciones y un fortalecimiento del material.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Curva de tensión-deformación

Una de las etapas de la curva tensión-deformación es la región de endurecimiento por deformación . Esta región comienza cuando la deformación va más allá del límite de fluencia y termina en el punto de resistencia máxima, que es la tensión máxima que se muestra en la curva de tensión-deformación. En esta región, la tensión aumenta principalmente a medida que el material se alarga, excepto que hay una región casi plana al principio. El endurecimiento por deformación también se denomina endurecimiento por trabajo o trabajo en frío . Se llama trabajo en frío porque la deformación plástica debe ocurrir a una temperatura lo suficientemente baja como para que los átomos no puedan reorganizarse. Es un proceso de hacer un metal más duro y más fuerte a través de la deformación plástica. Cuando un metal se deforma plásticamente,las dislocaciones se mueven y se generan dislocaciones adicionales. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. La densidad de la dislocación en un metal aumenta con la deformación o el trabajo en frío debido a la multiplicación de la dislocación o la formación de nuevas dislocaciones. Cuantas más dislocaciones haya dentro de un material, más interactuarán y se enredarán o enredarán. Esto dará como resultado una disminución de la movilidad de las dislocaciones y un fortalecimiento del material.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Fuerza

En la figura se muestra un diagrama esquemático de la curva de tensión-deformación del acero con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente. Hay varias etapas que muestran diferentes comportamientos, lo que sugiere diferentes propiedades mecánicas. Para aclarar, los materiales pueden perder una o más etapas que se muestran en la figura, o tener etapas totalmente diferentes. En este caso, tenemos que distinguir entre las características de tensión-deformación de los materiales dúctiles y frágiles . Los siguientes puntos describen las diferentes regiones de la curva tensión-deformación y la importancia de varias ubicaciones específicas.

Punto de fractura

El punto de fractura es el punto de deformación donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción (UTS), mientras que en los materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura.

En muchas situaciones, el límite elástico se utiliza para identificar la tensión permisible a la que se puede someter un material. Para los componentes que tienen que soportar altas presiones, como los que se utilizan en los reactores de agua a presión (PWR), este criterio no es adecuado. Para cubrir estas situaciones, la teoría de falla del esfuerzo cortante máximo se ha incorporado en el Código de recipientes a presión y calderas de ASME (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos), Sección III, Reglas para la construcción de recipientes a presión nucleares. Esta teoría establece que la falla de un componente de tubería ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo excede el esfuerzo cortante en el punto de fluencia en una prueba de tracción.

Fractura frágil vs dúctil

En la prueba de tracción, el punto de fracturaes el punto de tensión donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción (UTS), mientras que en los materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura. Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos categorías amplias; a saber:

• Materiales dúctiles . La ductilidad es la capacidad de un material para alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material quebradizo. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En fractura dúctil, se produce una deformación plástica extensa (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. Cualquier proceso de fractura implica dos pasos, formación y propagación de grietas, en respuesta a una tensión impuesta. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la fisura. Se dice que las grietas en los materiales dúctiles son estables (es decir, resisten la extensión sin aumentar la tensión aplicada). Para materiales frágiles, las grietas son inestables. Eso significa que la propagación de grietas, una vez iniciada, continúa espontáneamente sin un aumento en el nivel de estrés. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales.

• Materiales frágiles . Los materiales frágiles, cuando se someten a tensiones, se rompen con poca deformación elástica y sin deformaciones plásticas significativas. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil (hendidura transgranular), no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. En cristalografía, la escisión es la tendencia de los materiales cristalinos a dividirse a lo largo de planos estructurales cristalográficos definidos. Cualquier proceso de fractura implica dos pasos, formación y propagación de grietas., en respuesta a un estrés impuesto. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la fisura. Para materiales frágiles, las grietas son inestables. Eso significa que la propagación de grietas, una vez iniciada, continúa espontáneamente sin un aumento en el nivel de estrés. Las grietas se propagan rápidamente (velocidad del sonido) y ocurren a altas velocidades, hasta 2133,6 m / s en acero. Cabe señalar que un tamaño de grano más pequeño, una temperatura más alta y una tensión más baja tienden a mitigar la iniciación de grietas. El tamaño de grano más grande, las temperaturas más bajas y la tensión más alta tienden a favorecer la propagación de grietas. Existe un nivel de tensión por debajo del cual una grieta no se propagará a ninguna temperatura. Esto se denomina estrés de propagación de fractura más bajo. Para la fractura frágil, la superficie de la fractura es relativamente plana y perpendicular a la dirección de la carga de tracción aplicada. En general,
  • Defecto como una grieta
  • Esfuerzo suficiente para desarrollar una pequeña deformación en la punta de la grieta.
  • Temperatura en o por debajo de DBTT

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Curva de tensión-deformación

En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. En esta región, el alargamiento de la barra es directamente proporcional a la fuerza de tracción y la longitud de la barra e inversamente proporcional al área de la sección transversal y al módulo de elasticidad . Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke,la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young .

Podemos extender la misma idea de relacionar el esfuerzo con la deformación y las aplicaciones de corte en la región lineal, relacionando el esfuerzo de corte con la deformación de corte para crear la ley de Hooke para el esfuerzo de corte :

Para materiales isotrópicos dentro de la región elástica, puede relacionar la relación de Poisson (ν), el módulo de elasticidad de Young (E) y el módulo de elasticidad de corte (G):

Los módulos elásticos relevantes para los materiales policristalinos:

• Módulo de elasticidad de Young. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.
• Módulo de elasticidad a cortante. El módulo de corte, o módulo de rigidez, se deriva de la torsión de una probeta cilíndrica. Describe la respuesta del material al esfuerzo cortante. Su símbolo es G. El módulo de corte es una de varias cantidades para medir la rigidez de los materiales y surge en la ley de Hooke generalizada.
• Módulo de elasticidad a granel. El módulo de elasticidad volumétrico describe la elasticidad volumétrica o la tendencia de un objeto a deformarse en todas las direcciones cuando se carga uniformemente en todas las direcciones. Por ejemplo, describe la respuesta elástica a la presión hidrostática y la tensión equilátera (como la presión en el fondo del océano o una piscina profunda). También es propiedad de un material la que determina la respuesta elástica a la aplicación de tensión. Para un fluido, solo el módulo volumétrico es significativo.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Ley de Hooke

El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. El módulo de Young lleva el nombre del científico británico del siglo XIX Thomas Young.

La mayoría de los materiales policristalinos tienen dentro de su rango elástico una relación casi constante entre tensión y deformación. En 1678, un científico inglés llamado Robert Hooke realizó experimentos que proporcionaron datos que mostraban que en el rango elástico de un material, la deformación es proporcional a la tensión . Robert Hooke concluyó que la fuerza F en cualquier resorte es proporcional a la extensión (la deformación del estado relajado) x de la siguiente manera:

F = k · x

donde el término k es la rigidez del resorte yx es pequeño en comparación con la posible deformación total del resorte. Eventualmente debe fallar una vez que las fuerzas excedan algún límite, ya que ningún material puede comprimirse más allá de un cierto tamaño mínimo, o estirarse más allá de un tamaño máximo, sin alguna deformación permanente o cambio de estado.

En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. En esta región, el alargamiento de la barra es directamente proporcional a la fuerza de tracción y la longitud de la barra e inversamente proporcional al área de la sección transversal y al módulo de elasticidad . Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke,la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young . El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Los módulos elásticos relevantes para los materiales policristalinos:

• Módulo de elasticidad de Young. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. El módulo de Young lleva el nombre del científico británico del siglo XIX Thomas Young.
• Módulo de elasticidad a cortante. El módulo de corte, o módulo de rigidez, se deriva de la torsión de una probeta cilíndrica. Describe la respuesta del material al esfuerzo cortante. Su símbolo es G. El módulo de corte es una de varias cantidades para medir la rigidez de los materiales y surge en la ley de Hooke generalizada.
• Módulo de elasticidad a granel. El módulo de elasticidad volumétrico describe la elasticidad volumétrica o la tendencia de un objeto a deformarse en todas las direcciones cuando se carga uniformemente en todas las direcciones. Por ejemplo, describe la respuesta elástica a la presión hidrostática y la tensión equilátera (como la presión en el fondo del océano o una piscina profunda). También es propiedad de un material la que determina la respuesta elástica a la aplicación de tensión. Para un fluido, solo el módulo volumétrico es significativo.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Ley de Hooke

El módulo de elasticidad volumétrico describe la elasticidad volumétrica o la tendencia de un objeto a deformarse en todas las direcciones cuando se carga uniformemente en todas las direcciones. Por ejemplo, describe la respuesta elástica a la presión hidrostática y la tensión equilátera (como la presión en el fondo del océano o en una piscina profunda). También es propiedad de un material la que determina la respuesta elástica a la aplicación de tensión. Para un fluido, solo el módulo volumétrico es significativo.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Ley de Hooke

Podemos extender la misma idea de relacionar el esfuerzo con la deformación y las aplicaciones de corte en la región lineal, relacionando el esfuerzo de corte con la deformación de corte para crear la ley de Hooke para el esfuerzo de corte :

Para materiales isotrópicos dentro de la región elástica, puede relacionar la relación de Poisson (ν), el módulo de elasticidad de Young (E) y el módulo de elasticidad de corte (G):

Módulo de elasticidad de corte

El módulo de cizallamiento, o módulo de rigidez, se deriva de la torsión de una probeta cilíndrica. Describe la respuesta del material al esfuerzo cortante. Su símbolo es G. El módulo de corte es una de varias cantidades para medir la rigidez de los materiales y surge en la ley de Hooke generalizada.

• Esfuerzo cortante . El esfuerzo cortante existe cuando dos partes de un material tienden a deslizarse entre sí en cualquier plano típico de cortante al aplicar una fuerza paralela a ese plano. La torsión es una variación de corte puro en el que se tuerce un miembro estructural. Las fuerzas de torsión producen un movimiento de rotación alrededor del eje longitudinal de un extremo del miembro con respecto al otro extremo. El esfuerzo cortante también es de gran importancia en la naturaleza, ya que está íntimamente relacionado con el movimiento descendente de los materiales terrestres (como en el caso de las avalanchas).
• Esfuerzos por cizallamiento. Una deformación cortante resulta de un esfuerzo cortante y es una deformación calculada a partir de los desplazamientos relativos que se miden en paralelo a dos planos de referencia. Las deformaciones cortantes miden el movimiento paralelo relativo de un plano de referencia con respecto a otro. El símbolo de la deformación por cizallamiento suele ser el símbolo griego en minúsculas gamma (γ).

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

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Ley de Hooke

Como se escribió, la distinción entre fragilidad y ductilidad no es evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no solo del material en cuestión, sino también de la temperatura (transición dúctil-frágil) del material. El efecto de la temperatura sobre la naturaleza de la fractura es de considerable importancia. Muchos aceros presentan fractura dúctil a temperaturas elevadas y fractura frágil a bajas temperaturas . La temperatura por encima de la cual un material es dúctil y por debajo de la cual es frágil se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil.(DBTT), temperatura de ductilidad nula (NDT) o temperatura de transición de ductilidad nula. Esta temperatura no es precisa, pero varía según el tratamiento mecánico y térmico previo y la naturaleza y cantidad de los elementos de impureza. Puede determinarse mediante algún tipo de prueba de caída de peso (por ejemplo, las pruebas Charpy o Izod ).

La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) es la temperatura a la que la energía de fractura pasa por debajo de un valor predeterminado (por ejemplo, 40 J para una prueba de impacto Charpy estándar). La ductilidad es un requisito esencial para los aceros utilizados en la construcción de componentes de reactores, como la vasija del reactor . Por lo tanto, el DBTT es de importancia en el funcionamiento de estos buques. En este caso, el tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción, tiende a aumentar la ductilidad y da como resultado una disminución de DBTT. Tamaño de granose controla mediante tratamiento térmico en las especificaciones y fabricación de vasijas de reactores. El DBTT también se puede reducir mediante pequeñas adiciones de elementos de aleación seleccionados, como níquel y manganeso, a aceros con bajo contenido de carbono.

Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.

Modos de fallo:

• Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
• Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.

En algunos materiales, la transición es más aguda que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una celosía cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es fácilmente evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones de los tornilloses muy sensible a la temperatura porque la reordenación del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita. Esto supuestamente resultó en graves grietas en el casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial, lo que provocó muchos hundimientos. Los recipientes se construyeron con una aleación de acero que poseía una tenacidad adecuada según las pruebas de tracción a temperatura ambiente. Las fracturas frágiles se produjeron a temperaturas ambiente relativamente bajas, a aproximadamente 4 ° C (40 ° F), en las proximidades de la temperatura de transición de la aleación. Debe tenerse en cuenta que los metales FCC de baja resistencia (por ejemplo, aleaciones de cobre) y la mayoría de HCPlos metales no experimentan una transición de dúctil a frágil y se mantienen resistentes también a temperaturas más bajas. Por otro lado, muchos metales de alta resistencia (por ejemplo, aceros de muy alta resistencia) tampoco experimentan una transición de dúctil a frágil, pero, en este caso, permanecen muy frágiles.

La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de los defectos de la red interna y la correspondiente disminución de la ductilidad y aumento de la DBTT.

Fragilidad por irradiación

Durante el funcionamiento de una central nuclear , el material de la vasija de presión del reactor y el material de otros componentes internos del reactor están expuestos a radiación de neutrones (especialmente a neutrones rápidos> 0,5 MeV), lo que da como resultado una fragilización localizada del acero y las soldaduras en el área del núcleo del reactor. Este fenómeno, conocido como fragilidad por irradiación, da como resultado un aumento constante de DBTT. No es probable que el DBTT se acerque a la temperatura de funcionamiento normal del acero. Sin embargo, existe la posibilidad de que cuando se apague el reactor o durante un enfriamiento anormal, la temperatura pueda caer por debajo del valor DBTT mientras la presión interna aún sea alta. Por lo tanto, los reguladores nucleares exigen que se lleve a cabo un programa de vigilancia del material de la vasija del reactor en reactores de potencia refrigerados por agua.

Ver también: Reflector de neutrones

La fragilización por irradiación puede conducir a la pérdida de la tenacidad a la fractura. Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.

Modos de fallo:

• Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
• Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.

La irradiación de neutrones tiende a aumentar la temperatura ( temperatura de transición de dúctil a frágil ) a la que se produce esta transición y tiende a disminuir la tenacidad dúctil.

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Ductilidad

La ductilidad se define más comúnmente como la capacidad de un material para deformarse fácilmente tras la aplicación de una fuerza de tracción, o como la capacidad de un material para resistir la deformación plástica sin romperse. La ductilidad es un factor importante para permitir que una estructura sobreviva cargas extremas, como las debidas a grandes cambios de presión, terremotos y huracanes, sin experimentar una falla o colapso repentino. Se define como:

La ductilidad también se puede considerar en términos de capacidad de doblado y aplastamiento. Por lo general, si dos materiales tienen la misma resistencia y dureza, es más deseable el que tenga la mayor ductilidad. La ductilidad de muchos metales puede cambiar si se alteran las condiciones. Un aumento de temperatura aumentará la ductilidad. Una disminución de la temperatura provocará una disminución de la ductilidad y un cambio de comportamiento dúctil a frágil. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad. La ductilidad también contribuye a otra propiedad material llamadatenacidad. La tenacidad combina fuerza y ​​ductilidad en una sola propiedad medible y requiere un equilibrio de fuerza y ​​ductilidad.

La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. Una definición de tenacidad (o más específicamente, tenacidad a la fractura ) es que es una propiedad que indica la resistencia de un material a la fractura cuando está presente una grieta (u otro defecto de concentración de tensiones). La tenacidad se mide típicamente mediante la prueba de Charpy o la prueba de Izod. La prueba de impacto mide la tenacidad en condiciones de carga repentina y la presencia de defectos como muescas o grietas que concentrarán la tensión en los puntos débiles. La tenacidad también se puede definir con respecto a las regiones de un diagrama de tensión-deformación . La tenacidad está relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. La curva de tensión-deformación mide la tenacidad bajo una carga que aumenta gradualmente. Para ser resistente, un material debe ser resistente y dúctil. La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material quebradizo. Por ejemplo, los materiales quebradizos (como la cerámica) que son fuertes pero con ductilidad limitada no son duros; a la inversa, los materiales muy dúctiles con bajas resistencias tampoco son tenaces. Para ser resistente, un material debe soportar tanto las tensiones altas y cepas de alto .

1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
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7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Véase más arriba:

Ductilidad