Supongamos que una probeta metálica se coloca en una máquina de ensayo de tensión-compresión. A medida que la carga axial se incrementa gradualmente en incrementos, se mide el alargamiento total sobre la longitud de la galga en cada incremento de la carga y se continúa así hasta que se produce el fallo de la probeta. Conociendo el área de la sección transversal original y la longitud de la probeta, se puede obtener la tensión normal σ y la deformación ε. El gráfico de estas magnitudes con la tensión σ en el eje y y la deformación ε en el eje x se denomina diagrama tensión-deformación. El diagrama tensión-deformación tiene una forma diferente para los distintos materiales. El diagrama que se muestra a continuación es el de un acero estructural de carbono medio.
Los materiales de ingeniería metálica se clasifican como materiales dúctiles o frágiles. Un material dúctil es aquel que tiene una tensión relativamente grande hasta el punto de ruptura, como el acero estructural y el aluminio, mientras que los materiales frágiles tienen una tensión relativamente pequeña hasta el punto de ruptura, como el hierro fundido y el hormigón. A menudo se toma una tensión arbitraria de 0,05 mm/mm como línea divisoria entre estas dos clases.
Diagrama tensión-deformación de un acero estructural de carbono medio
Límite proporcional (Ley de Hooke)
Desde el origen O hasta el punto llamado límite proporcional, la curva tensión-deformación es una línea recta. Esta relación lineal entre el alargamiento y la fuerza axial causante fue advertida por primera vez por Sir Robert Hooke en 1678 y se denomina Ley de Hooke que dentro del límite proporcional la tensión es directamente proporcional a la deformación o
La constante de proporcionalidad k se llama Módulo de Elasticidad E o Módulo de Young y es igual a la pendiente del diagrama tensión-deformación de O a P. Entonces
Límite elástico
El límite elástico es el límite más allá del cual el material ya no volverá a su forma original cuando se retire la carga, o es la tensión máxima que puede e desarrollarse de manera que no haya deformación permanente o residual cuando se retire la carga por completo.
Rangos elásticos y plásticos
La región del diagrama tensión-deformación desde O hasta E se denomina rango elástico. La región de E a R se denomina rango plástico.
Punto de cesión
El punto de cesión es el punto en el que el material tendrá un alargamiento apreciable o cederá sin ningún aumento de carga.
Resistencia última
La ordenada máxima en el diagrama tensión-deformación es la resistencia última o resistencia a la tracción.
La resistencia a la rotura
La resistencia a la rotura es la resistencia del material a la rotura. También se conoce como resistencia a la rotura.
Módulo de resiliencia
El módulo de resiliencia es el trabajo realizado en una unidad de volumen de material cuando la fuerza se incrementa gradualmente de O a P, en N-m/m3. Puede calcularse como el área bajo la curva tensión-deformación desde el origen O hasta el límite elástico E (el área sombreada en la figura). La resiliencia del material es su capacidad de absorber energía sin crear una distorsión permanente.
El módulo de tenacidad
El módulo de tenacidad es el trabajo realizado sobre una unidad de volumen de material a medida que la fuerza se incrementa gradualmente desde O hasta R, en N-m/m3. Se puede calcular como el área bajo la curva completa de tensión-deformación (de O a R). La tenacidad de un material es su capacidad de absorber energía sin provocar su rotura.
Esfuerzo de trabajo, esfuerzo admisible y factor de seguridad
El esfuerzo de trabajo se define como el esfuerzo real de un material bajo una carga determinada. La tensión máxima segura que puede soportar un material se denomina tensión admisible. La tensión admisible debe limitarse a valores que no superen el límite proporcional. Sin embargo, como el límite proporcional es difícil de determinar con exactitud, la tensión admisible se toma como el límite elástico o la resistencia última dividida por un factor de seguridad. La relación entre esta resistencia (última o de fluencia) y la resistencia admisible se denomina factor de seguridad.