Esfuerzos y deformaciones en materiales: ley de Hooke y ensayo de tracción

Resumen

El documento explica qué son los esfuerzos normales y tangenciales que actúan sobre un material, y cómo estos generan deformaciones. Describe el ensayo de resistencia a la tracción, la ley de Hooke y el módulo de elasticidad. También presenta las zonas elástica y plástica del comportamiento de un material hasta su rotura, con sus puntos característicos P, E, R y U.

Puntos clave

Un esfuerzo es una fuerza exterior que rompe el equilibrio interno del material y genera una fuerza interna que tiende a restaurar la cohesión.
Los esfuerzos normales incluyen la tracción, la compresión y la flexión; los tangenciales incluyen la torsión y el corte.
En el ensayo de tracción, la probeta se alarga en la máquina y se registran los esfuerzos aplicados.
La ley de Hooke establece que, mientras dura la proporcionalidad, la deformación es proporcional al esfuerzo.
El módulo de elasticidad es la relación entre tensiones y deformaciones; su inversa es el coeficiente de alargamiento α = ε/σ.
En la zona elástica el material recupera su longitud original; en la zona plástica quedan deformaciones permanentes.
P es el límite de proporcionalidad, E el límite de elasticidad, R el límite de rotura y U el punto de fractura visible.

Ponte a prueba

Esfuerzos y Deformaciones en Materiales

Los esfuerzos son fuerzas exteriores que rompen el equilibrio interno y modifican la tracción y repulsión, generando una fuerza interna que tenderá a restaurar la cohesión. Cuando esto no ocurre, el material se rompe.

Clasificación de Esfuerzos

Los esfuerzos normales son producidos por cargas trasladadas transversalmente en un determinado sentido.

Tracción y compresión: Es la obtención de fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario, que tienden a estirar o aplastar según el eje en el que estén.
Flexión: Se produce cuando hay pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan la curvatura de las partes transversales del material.

Los esfuerzos tangenciales son generados por pares de cargas que actúan transversalmente y producen giros o deslizamientos.

Torsión: Son los pares que actúan sobre ejes de partes transversales, produciendo giros de las mismas en sus planos.
Corte: Son las fuerzas que actúan normales al eje del cuerpo, desplazando las partes necesarias.

Ensayo de Resistencia de Tracción

Es el más utilizado para materiales hechos para construcción de máquinas. Suministra las propiedades necesarias para formar juicio sobre el material. La probeta, provista de extremos con espaldilla de apoyo, es colgada en la máquina de tracción y se va alargando, determinando los esfuerzos que señala la máquina.

Ley de Hooke

Todo esfuerzo ejercido sobre un cuerpo lo deforma.
La deformación es proporcional al esfuerzo mientras sigue la deformación.
Recíprocamente, todo cuerpo deformado ejerce un esfuerzo mientras persiste la deformación, siendo el esfuerzo proporcional a esta.

E=σE/ε

Módulo elástico = límite elástico / alargamiento

El módulo de elasticidad de un material es la relación entre tensiones y deformaciones correspondientes. La tendencia moderna es sustituir E por su inversa, llamado coeficiente de alargamiento α = ε/σ (cm²/Kg).

Zona Elástica (O-E)

Se caracteriza porque al detener las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original. Esta zona se subdivide en:

Zona proporcional (O-P): Los esfuerzos unitarios de tensión son proporcionales a las deformaciones. Aquí se verifica la ley de Hooke (σ) E ε.
Zona no proporcional (P-E): Aquí los desplazamientos dejan de ser proporcionales a los esfuerzos, o sea, σ es desigual a E ε.

Zona Plástica (E-U)

Esta zona se caracteriza porque cuando detenemos las tensiones aplicadas, los materiales no recuperan su longitud original; se generan deformaciones permanentes. Esta zona se subdivide en:

Zona límite de rotura (E-R): Aquí, a aumentos positivos de tensión corresponden incrementos positivos de alargamiento.
Zona de rotura (K-U): Aquí hay incrementos negativos de tensión y corresponden incrementos positivos de alargamiento.

P: es el límite de proporcionalidad. Hasta este punto es válida la ley de Hooke.

E: límite de elasticidad. A partir de este punto, los materiales se comportan plásticamente.

R: límite de rotura. A partir de este punto, el material se considera roto, aunque no se vea la fractura visualmente.

U: es un punto donde se produce la fractura visual del material.

σ_ad = P/S = kg/mm²

Preguntas frecuentes

¿Qué es un esfuerzo en un material?

Un esfuerzo es una fuerza exterior que rompe el equilibrio interno del material y modifica la tracción y repulsión entre sus partes. Si el material no genera una fuerza interna que restaure la cohesión, se rompe.

¿Qué establece la ley de Hooke?

Todo esfuerzo ejercido sobre un cuerpo lo deforma, y la deformación es proporcional al esfuerzo mientras se mantiene la proporcionalidad. Recíprocamente, un cuerpo deformado ejerce un esfuerzo proporcional a la deformación.

¿Cuál es la diferencia entre zona elástica y zona plástica?

En la zona elástica, al retirar las tensiones el material recupera su longitud original. En la zona plástica, al retirarlas aparecen deformaciones permanentes.