¿Qué es el estrés en la ciencia de los materiales? Definición

En mecánica y ciencia de los materiales, el estrés (representado por una letra griega minúscula sigma – σ ) es una cantidad física que expresa las fuerzas internas que las partículas vecinas de un material continuo ejercen entre sí, mientras que la deformación es la medida de la deformación del material. que no es una cantidad física.

Aunque es imposible medir la intensidad de esta tensión, se puede medir la carga externa y la zona a la que se aplica. La tensión (σ) se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

Cuando un metal se somete a una carga (fuerza), se distorsiona o deforma, sin importar cuán fuerte sea el metal o cuán ligera sea la carga. Si la carga es pequeña, la distorsión probablemente desaparecerá cuando se retire la carga. La intensidad o grado de distorsión se conoce como tensión . Una deformación se denomina deformación elástica si la tensión es una función lineal de la deformación. En otras palabras, el estrés y la tensión siguen la ley de Hooke . Más allá de la región lineal, la tensión y la deformación muestran un comportamiento no lineal. Este comportamiento inelástico se denomina deformación plástica .

El estrés es la resistencia interna, o contrafuente, de un material a los efectos distorsionadores de una fuerza o carga externa. Estas contrafuerzas tienden a devolver los átomos a sus posiciones normales. La resistencia total desarrollada es igual a la carga externa.

Tipos de estrés

Las tensiones ocurren en cualquier material que esté sujeto a una carga o fuerza aplicada. Hay muchos tipos de estrés , pero todos pueden clasificarse generalmente en una de seis categorías:

• Las tensiones estructurales son tensiones producidas en miembros estructurales debido a los pesos que soportan. Los pesos proporcionan las cargas. Estas tensiones se encuentran en cimientos y estructuras de edificios, así como en piezas de maquinaria.
• Las tensiones residuales son tensiones provocadas por los procesos de fabricación. Este tipo de tensión permanece en un material sólido después de que se ha eliminado la causa original de las tensiones. Por ejemplo, la soldadura deja tensiones residuales en los metales soldados. El calor de la soldadura puede causar una expansión localizada, que es absorbida durante la soldadura por el metal fundido o la colocación de las piezas que se están soldando.
• Las tensiones por presión son tensiones inducidas en recipientes que contienen materiales presurizados. La carga es proporcionada por la misma fuerza que produce la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-pressure-physics/»>presión . En una instalación de reactor, la vasija del reactor es un excelente ejemplo de vasija a presión. Un problema de seguridad que es un problema a largo plazo provocado por el envejecimiento de las instalaciones nucleares es el choque térmico presurizado (STP) . PTS es el impacto experimentado por un recipiente de paredes gruesas debido a las tensiones combinadas de un cambio rápido de temperatura y / o presión.
• Las tensiones térmicas existen siempre que hay gradientes de temperatura en un material. Diferentes thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperaturas producen diferentes expansiones y someten los materiales a tensiones internas. Este tipo de tensión es particularmente notable en los mecanismos que operan a altas temperaturas que son enfriados por un fluido frío. Un problema de seguridad que es un problema a largo plazo provocado por el envejecimiento de las instalaciones nucleares es el choque térmico presurizado (STP). PTS es el impacto experimentado por un recipiente de paredes gruesas debido a las tensiones combinadas de un cambio rápido de temperatura y / o presión.
• Las tensiones de flujo ocurren cuando una masa de fluido que fluye induce una presión dinámica en la pared de un conducto. La fuerza del fluido que golpea la pared actúa como carga . Este tipo de tensión se puede aplicar de forma inestable cuando los caudales fluctúan. El golpe de ariete es un ejemplo de estrés de flujo transitorio. Un golpe de ariete en una tubería o tubo es un pico de presión causado por una variación repentina del caudal. y la energía de velocidad se convierte en energía de presión.
• Estrés por fatiga. La fatiga es el debilitamiento de un material causado por una carga cíclica que da como resultado un daño estructural progresivo y localizado y el crecimiento de grietas. Una vez que se ha iniciado una grieta, cada ciclo de carga hará crecer la grieta una pequeña cantidad. Las tensiones pueden deberse a vibraciones o ciclos térmicos.

Estrés aplicado

Desde el punto de vista interno, la intensidad de la tensión dentro del cuerpo de un componente se expresa como uno de los tres tipos básicos de carga interna, a saber, tensión, compresión y cortante . En la práctica de la ingeniería, muchas cargas son de torsión más que de corte puro. Matemáticamente, solo hay dos tipos de carga interna porque los esfuerzos de tracción y compresión pueden considerarse como las versiones positiva y negativa del mismo tipo de carga normal.

• Esfuerzo de tracción . Una de las pruebas mecánicas de esfuerzo-deformación más comunes se realiza en tensión. La tensión de tracción es ese tipo de tensión en la que las dos secciones de material a cada lado de un plano de tensión tienden a separarse o alargarse. La capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS) . La resistencia máxima a la tracción se mide por la tensión máxima que un material puede soportar mientras se estira o tira antes de romperse. En el estudio de la resistencia de los materiales, la resistencia a la tracción, la resistencia a la compresión y la resistencia al corte se pueden analizar de forma independiente. Debido a que las cargas de tracción y compresión producen tensiones que actúan a través de un plano, en una dirección perpendicular (normal) al plano, las tensiones de tracción y compresión se denominantensiones normales .
• Estrés compresivo . La tensión de compresión es lo contrario de la tensión de tracción. Las partes adyacentes del material tienden a presionarse entre sí a través de un plano de tensión típico. La tensión de compresión en barras, columnas, etc. conduce al acortamiento. La tensión de compresión se define de la misma manera que la tensión de tracción, pero tiene valores negativos para expresar la compresión ya que delta L tiene la dirección opuesta. Se puede aumentar la tensión de compresión hasta que se alcanza la resistencia a la compresión. Entonces los materiales reaccionarán con comportamiento dúctil o con fractura en caso de materiales quebradizos. Debido a que las cargas de tracción y compresión producen tensiones que actúan a través de un plano, en una dirección perpendicular (normal) al plano, las tensiones de tracción y compresión se denominan tensiones normales.. La capacidad de un material para reaccionar a la tensión o presión de compresión se denomina compresibilidad.
• 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 del 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).

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2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
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Véase más arriba:

Fuerza