FENÓMENOS BAJO CARGA ESTÁTICA
La deformación del material bajo la acción de tensiones es un fenómeno muy complejo, por lo que debe simplificarse de distintas maneras para poder comprenderlo. Una de estas simplificaciones es la suposición de que las cargas se aplican gradualmente, como por ejemplo se hace con las probetas en los ensayos de tracción y compresión.
Si una barra de acero sometida a tracción se expone a una carga que aumenta gradualmente y se mide su dilatación ℇ, se obtiene el diagrama mostrado en la figura.
_1= Límite de proporcionalidad _2 =Límite elástico 3 =Límite inferior de fluencia 3’= Límite superior de fluencia
Al principio la dilatación es muy pequeña y proporcional a la tensión, tal como exige la ley de Hooke. A partir de una determinada tensión cesa la proporcionalidad y la dilatación crece más rápidamente. La posición exacta de este límite de proporcionalidad difícilmente puede determinarse. Cuanto más exacta es la medición, tanto más bajo resulta. Para la mayoría de los materiales se sitúa en δ=0, y la ley de Hooke representa entonces solo la primera aproximación al comportamiento elástico, el primer término del desarrollo en serie de Taylor de la función ℇ=ℇ (δ) en las proximidades del origen de coordenadas. Si se descarga la barra, se observa que, cuando la tensión no ha sido demasiado grande, también desaparece la deformación de acuerdo con la ley de Hooke. Pero esto también cambia si se supera una determinada tensión que se sitúa cerca del límite de proporcionalidad, el llamado límite elástico; entonces la deformación total consta de una parte elástica (recuperable) y otra inelástica (permanente). Tampoco el límite elástico puede determinarse con exactitud; se sitúa tanto más bajo cuanto mayor es la precisión de la medición.
Sin embargo, como tiene gran importancia técnica, ya que representa el límite de relevancia en casi todos los cálculos de resistencia de materiales y al mismo tiempo el límite en el que aparecen los primeros daños permanentes, para el ensayo de probetas se define rigurosamente mediante una convención adoptada; así, por ejemplo, como límite 0,2% se designa la tensión para la cual la dilatación permanente alcanza 0,2%.
Inmediatamente después de superar el límite de elasticidad, la deformación aumenta bruscamente y puede apreciarse a simple vista; con una tensión casi constante, la barra se alarga de forma continua. Esta tensión se denomina límite de fluencia.
En las máquinas hidráulicas para ensayo de materiales también puede observarse, después del inicio de la fluencia, una caída de tensión más o menos pronunciada, como se indica en el gráfico con la curva discontinua; entonces el máximo se denomina límite de fluencia superior, y la tensión de fluencia constante que aparece después, límite de fluencia inferior.
Una vez alcanzada una determinada dilatación, que es casi totalmente inelástica, la tensión vuelve a aumentar y el material se endurece. En esta zona de carga se produce una reducción apreciable de la sección transversal de la barra debido a la contracción lateral (inelástica), y la evolución posterior del diagrama de tensiones y deformaciones depende ante todo de si, al calcular la tensión, la fuerza de tracción P que actúa sobre la barra se divide por la sección inicial Fo o por la sección actual F. Para fines técnicos, interesa la tensión P/F. Esta tensión alcanza un máximo, llamado resistencia del material, y al sobrepasar ese máximo la barra se estrecha fuertemente en un punto y se rompe. La «tensión real» P/F aumenta hasta la rotura.
El comportamiento de otros metales se aparta en gran medida del aquí descrito. La fluencia a menudo no está expresada, y el endurecimiento comienza inmediatamente después de superar el límite elástico.
En los materiales frágiles (piedra, vidrio, hormigón) las deformaciones no elásticas son en general pequeñas y ya con una pequeña dilatación se produce la rotura. La dilatación total que el material sufre hasta la rotura es una medida de la ductilidad (en oposición: fragilidad) del material y para el acero se prescribe con precisión en las condiciones técnicas. Sin embargo, como inmediatamente antes de la rotura la deformación ulterior se concentra en las proximidades de la zona de sección estrangulada, se obtiene un valor distinto de la dilatación en la rotura, según se adopte para la longitud de medición una parte mayor o menor de la barra, de modo que para obtener resultados unívocos y mutuamente comparables debe adoptarse de antemano alguna convención determinada. La dilatación en la rotura, por regla general, se mide de modo que en una barra redonda de diámetro d, antes del ensayo, se marque la longitud de medición l = 10 d y a partir de su alargamiento ∆l se calcule la dilatación en la rotura ℇSl= ∆1/1.
Si es necesario ensayar barras de otra sección, la longitud de medida se determina en función del diámetro de una barra cilíndrica circular que tenga la misma superficie de sección transversal.