El esfuerzo último es uno de los valores más importantes en el estudio del comportamiento de los materiales al ser sometidos a fuerzas. Este término se refiere al máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de llegar a su punto de ruptura. Es decir, es el punto específico de la deformación del material en que éste falla por completo; después de pasar esa frontera, se rompe.
Esta frontera o límite de resistencia es muy importante para la ingeniería y para la selección del material adecuado en cada uno de los proyectos. En el presente artículo, analizaremos el esfuerzo último en relación al diagrama esfuerzo-deformación, el tipo de materiales que presentan esta propiedad y su importancia en la resistencia de los materiales.
El diagrama esfuerzo-deformación
El diagrama esfuerzo-deformación es una herramienta fundamental en la ingeniería, ya que permite comprender cómo un material se deforma ante la aplicación de esfuerzos. Esta representación gráfica muestra el comportamiento de un material sometido a una fuerza deformadora, y se utiliza para seleccionar los materiales más adecuados para cada proyecto.
En este diagrama, el esfuerzo se define como la fuerza a la que está sometida cada unidad de área del material, mientras que la deformación se refiere al cambio de forma que sufre el material al estar sometido a esfuerzos. Es importante destacar que existen dos tipos de deformación: elástica y plástica.
La ley de Hooke establece que el esfuerzo de tracción es directamente proporcional a la deformación en la zona elástica del diagrama. La región elástica comprende desde el inicio hasta el punto límite de elasticidad, mientras que la región plástica empieza desde el punto de fluencia hasta el punto de rotura del material.
Tipos de materiales según su comportamiento al esfuerzo último
Materiales frágiles
Los materiales frágiles son aquellos que presentan una curva de esfuerzo-deformación en la que solo se puede observar la parte elástica. Al pasar a la etapa plástica, el material falla inmediatamente y sin previo aviso.
Este tipo de materiales se caracteriza por tener una deformación muy pequeña antes de que suceda la fractura. El vidrio, por ejemplo, es un material frágil que no debe ser sometido a grandes esfuerzos de tensión debido a su corta vida útil al momento de la rotura.
Materiales dúctiles
En el caso de los materiales dúctiles, podemos decir que los elementos pueden fluir o deformarse longitudinalmente a temperatura ambiente, presentando cuatro etapas en la gráfica de esfuerzo-deformación.
La primera etapa es la elástica, donde el material obedece la ley de Hooke e inicia su deformación en una zona elástica. La segunda etapa es la de deformación plástica o cedencia, en la que la deformación aumenta más rápidamente con un esfuerzo constante. A partir de este punto, la deformación es permanente.
La tercera etapa se conoce como endurecimiento por deformación, donde el material presenta una resistencia mayor a la deformación. Finalmente, la cuarta etapa es la de estricción, donde existen secciones de área transversal más pequeña que, con un esfuerzo menor, pueden seguirse deformando hasta la ruptura.
Importancia del esfuerzo último en los materiales
El esfuerzo último es un valor fundamental en la ingeniería, ya que permite tener una idea clara de la resistencia de un material frente a una determinada fuerza. Al conocer el esfuerzo que puede soportar un material antes de la ruptura, es posible seleccionar el material adecuado para cada proyecto.
En el caso de los materiales frágiles, es importante evitar los esfuerzos de tensión que puedan producir la fractura del material. Para los materiales dúctiles, es preciso determinar el esfuerzo último para evitar deformaciones irreparables que afecten su calidad y resistencia.
Tipos de esfuerzos
Además del esfuerzo compuesto y el esfuerzo variable, es posible encontrar otros tipos de esfuerzos presentes en el mundo de la ingeniería.
El esfuerzo axial es un tipo de esfuerzo que se produce en un elemento que experimenta una tensión o compresión axial. El corte, por su parte, se produce cuando se aplica una fuerza cortante donde hay dos secciones perpendicularmente dispuestas. Asimismo, la torsión sucede cuando una fuerza actúa en la zona de la sección transversal de un elemento produciendo un giro.
Por su parte, esfuerzos secundarios como el pandeo, la flexión y el contacto son producidos por la combinación de esfuerzos mencionados anteriormente. Por tanto, el conocimiento detallado de esos tipos de esfuerzos y su combinación es fundamental en la ingeniería para el desarrollo de estructuras seguras y resistentes.
Valores importantes del esfuerzo último
Dentro del diagrama esfuerzo-deformación, es posible determinar, además del esfuerzo último, otros tres valores significativos.
El esfuerzo crítico σy, conocido como punto de fluencia, es el punto en el que la deformación del material comienza a ser permanente. A partir de este punto, el material sufre una deformación importante sin necesidad de un aumento adicional en el esfuerzo.
El esfuerzo máximo o último σu es el punto en que un material se rompe. Es decir, es el valor máximo de esfuerzo que un material puede soportar antes de fracturarse.
El valor σB se refiere a la resistencia a la fractura de un material. Este valor se define como la tensión por debajo de la cual un material no presenta fallos internos.
Conclusión
El esfuerzo último es un valor fundamental en la ingeniería y en la fabricación de componentes y estructuras resistentes y seguras. El diagrama esfuerzo-deformación es una herramienta indispensable para comprender el comportamiento de los materiales, permitiendo analizar la relación que existe entre el esfuerzo y la deformación de un material.
Es importante resaltar la diferencia entre los materiales dúctiles y frágiles, pues los primeros presentan una deformación considerable antes de la fractura, mientras que los segundos se caracterizan por la poca deformación antes de la ruptura.
Finalmente, conocer los tipos de esfuerzos y la combinación de los mismos es fundamental para el desarrollo de estructuras seguras y resistentes, al igual que conocer los valores importantes del esfuerzo último, que permiten seleccionar el material adecuado para cada proyecto y evitar fallos en los elementos sometidos a cargas.
