Estrés vs.. Cepa: Conceptos clave para la ciencia de los materiales

1. Introducción

El estrés y la tensión son conceptos fundamentales en la ciencia de los materiales y la ingeniería mecánica, desempeñando un papel crucial en la determinación del rendimiento y la falla de los materiales bajo carga.

Estas propiedades son esenciales en el diseño estructural., fabricación, y análisis de fallas.

El estrés se refiere a la resistencia interna que un material se desarrolla por unidad de área cuando se somete a fuerzas externas, mientras que la tensión mide la deformación del material en respuesta a ese estrés.

Comprender su relación ayuda a los ingenieros a seleccionar materiales apropiados, Predecir los puntos de falla, y optimizar los diseños para varias aplicaciones, Desde puentes y aviones hasta microelectrónicas.

Este artículo proporciona un análisis en profundidad del estrés y la tensión., Explorando sus definiciones, formulaciones matemáticas, métodos de prueba, factores influyentes, y aplicaciones industriales.

2. Fundamentos de estrés y tensión

Que es el estrés?

Estrés (a) ¿Se aplica la fuerza por unidad de área dentro de un material?. Cuantifica cómo las fuerzas internas resisten las cargas externas y se expresa matemáticamente como:

σ = f ÷ a

dónde:

• F es la fuerza aplicada (norte),
• A es el área de la sección transversal (m²).

Tipos de estrés

• Estrés por tracción: Separa el material, aumentando su longitud (p.ej., Estirar un alambre de acero).
• Estrés por compresión: Presiona el material juntos, reduciendo su longitud (p.ej., comprimir una columna de concreto).
• Estrés cortante: Hace que las capas adyacentes del material se deslicen entre sí (p.ej., fuerzas que actúan sobre articulaciones atornilladas).
• Estrés torsional: Resultados de fuerzas de torsión (p.ej., Torque aplicado a un eje giratorio).

  

Que es la tensión?

Cepa (mi) es una medida de la deformación de un material debido a la tensión aplicada. Es una cantidad adimensional que representa la relación de cambio de longitud a la longitud original.:

E = ΔL ÷ l0

dónde:

• Δl es el cambio de longitud (metro),
• L0 es la longitud original (metro).

Tipos de tensión

• Tensión normal: Causado por tensión o estrés por compresión.
• Tensión de corte: Resultados de la distorsión angular.

3. Relación entre el estrés vs. Cepa

Comprender la relación entre estrés y cepa es fundamental en la ciencia y la ingeniería de materiales.

Esta relación ayuda a predecir cómo los materiales responderán a las fuerzas externas., Garantizar la integridad estructural y la confiabilidad en diversas aplicaciones, Desde puentes y aviones hasta implantes médicos y productos de consumo.

Ley de Hooke: La relación elástica

En el región elástica, La mayoría de los materiales exhiben un relación lineal entre el estrés (Sigmaas) y tensión (e varepsilone), regido por Ley de Hooke:

σ = E ⋅ E

dónde:

• σ = estrés (PA o N/m²)
• E = módulo de Young (módulo de elasticidad, en PA)
• e = tensión (imperfecto)

Esta ecuación significa que dentro de un material límite elástico, El estrés y la tensión son directamente proporcionales.

Cuando se retira la carga, El material vuelve a su forma original. El valor de módulo de Young determina la rigidez de un material:

• E alto (p.ej., acero, titanio) → Rígido y menos flexible
• E bajo (p.ej., goma, polímeros) → Flexible y fácilmente deformado

Por ejemplo, Steel tiene un módulo de joven de ~ 200 GPA, haciéndolo mucho más rígido que el aluminio (~ 70 GPA) o goma (~ 0.01 GPA).

Elástico VS. Deformación plástica

Mientras la ley de Hooke se aplica al región elástica, Los materiales eventualmente alcanzan un punto de rendimiento Donde la deformación se vuelve permanente.

• Deformación elástica: El material vuelve a su forma original después de eliminar el estrés..
• Deformación plástica: El material sufre cambios irreversibles y no vuelve a su forma original.

Curva de tensión-deformación y puntos clave

A curva de tensión-deformación representa gráficamente cómo se comporta un material bajo carga.

1. Región elástica: Relación lineal después de la ley de Hooke.
2. Punto de rendimiento: El nivel de estrés donde comienza la deformación plástica.
3. Región plástica: La deformación continúa sin un aumento de estrés adicional.
4. Máxima resistencia a la tracción (UTS): La tensión máxima que el material puede soportar.
5. Punto de fractura: El material se rompe bajo estrés excesivo.

Para materiales dúctiles (p.ej., aluminio, acero dulce), La deformación plástica ocurre antes de la falla, Permitir la absorción de energía antes de romperse.

Materiales quebradizos (p.ej., vaso, cerámica) fractura repentinamente con poca o ninguna deformación plástica.

Tabla resumen: Relación de tensión-deformación

Característica	Región elástica	Región plástica
Definición	El estrés y la tensión son proporcionales	Se produce la deformación permanente
Ley de gobierno	Ley de Hooke	Comportamiento plástico no lineal
Reversibilidad	Totalmente reversible	Irreversible
Punto de rendimiento?	No	Sí
Materiales de ejemplo	Acero (dentro del rango elástico), goma (tensión baja)	Cobre, aluminio (bajo alto estrés)

4. Factores que afectan el estrés y el comportamiento de la tensión

Comprender los factores que influyen estrés y cepa El comportamiento es crucial para la selección de materiales, diseño, y análisis de rendimiento.

Varios factores intrínsecos y extrínsecos afectan la forma en que los materiales responden a las fuerzas aplicadas, afectando su fuerza, ductilidad, elasticidad, y comportamiento general bajo estrés.

Exploremos estos factores en profundidad.

Composición de material y microestructura

Estructura atómica y molecular

La disposición de átomos o moléculas en un material determina sus propiedades mecánicas y, como consecuencia, su comportamiento bajo estrés.

Materiales con diferentes tipos de unión (covalente, metálico, iónico, etc.) exhibir respuestas distintas a la deformación.

• Rieles: Por lo general, exhiben una alta ductilidad y son capaces de resistir la deformación plástica sustancial antes de la falla.
  Su estructura atómica (Varias de cristal) permite que las dislocaciones se muevan, permitiéndoles absorber el estrés y la tensión de manera efectiva.
• Polímeros: Sus cadenas moleculares responden de manera diferente dependiendo del tipo de polímero (termoplástico, Termossets, elastómeros).
  Por ejemplo, Los elastómeros son altamente deformables bajo bajo estrés, Mientras que los termoSet pueden volverse frágiles después de ser sometido a altas temperaturas o estrés.
• Cerámica: Estos típicamente tienen enlaces iónicos o covalentes, que proporcionan fuerza pero limitan el movimiento de dislocación.
  Como resultado, La cerámica tiende a fracturarse fácilmente bajo estrés, con poca deformación plástica.

Estructura del grano

El tamaño y la orientación de granos (Estructuras cristalinas en metales) Impacto significativamente estrés vs. comportamiento de tensión:

• Materiales de grano fino: Por lo general, muestra una mayor resistencia a la tracción y una mayor resistencia a la fractura porque los límites de grano impiden el movimiento de dislocación.
• Materiales de grano grueso: Puede mostrar una mayor ductilidad pero menor resistencia a la tracción debido a las distancias más grandes entre las dislocaciones, haciéndolos más propensos al fracaso bajo estrés.

Fases y aleaciones

En aleaciones, la presencia de diferentes fases o la distribución de estas fases (p.ej., ferrita y perlita en acero) influye en el comportamiento de estrés y tensión. Por ejemplo:

• Aleaciones de acero: Variando la composición de la aleación, Los ingenieros pueden ajustar la resistencia del rendimiento del material, tenacidad, y dureza para cumplir con los requisitos de rendimiento específicos.

Temperatura

La temperatura juega un papel importante en la determinación del propiedades mecánicas de materiales, afectando a su elástico y plástico comportamiento.

• A altas temperaturas, Los metales generalmente se vuelven más dúctiles, y su fuerza de rendimiento disminuye.
  Por ejemplo, aluminio se vuelve mucho más maleable a temperaturas elevadas, mientras acero puede experimentar una reducción en la dureza.
• A bajas temperaturas, Los materiales tienden a ser más frágiles. Por ejemplo, acero carbono se vuelve quebradiza a temperaturas inferiores a -40 ° C, haciéndolo más propenso a agrietarse bajo estrés.

Expansión térmica

Los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfríen, causando tensiones internas que pueden afectar el funcionamiento de los materiales bajo carga.

En estructuras grandes como puentes o tuberías, La expansión y la contracción inducidas por la temperatura pueden conducir a tensión térmica.

Tasa de deformación (Tasa de deformación)

El tasa de deformación es la velocidad a la que un material se deforma bajo estrés. Los materiales pueden comportarse de manera diferente dependiendo de la rapidez con que se aplique el estrés:

• Deformación lenta (baja tasa de deformación): Los materiales tienen más tiempo para deformarse plásticamente, y la curva de tensión-deformación del material tiende a exhibir una mayor ductilidad.
• Deformación rápida (alta tasa de deformación): Los materiales tienden a ser más rígidos y más fuertes, Pero su ductilidad disminuye.
  Esto es particularmente importante para los materiales utilizados en pruebas de bloqueo (p.ej., Análisis de choque automotriz) o impactos balísticos.

Ejemplo:

• En formación de metal de alta velocidad (como forja o laminación), la tasa de deformación es alta, y los metales pueden exhibir una mayor fuerza debido a endurecimiento por cepas efectos.
  En cambio, a bajas tasas de deformación, como durante las pruebas de tensión lenta, Los metales tienen más tiempo para deformarse, dando como resultado una mayor ductilidad.

Tipo de carga y magnitud

El camino estrés se aplica influencia la respuesta del material:

• Estrés por tracción: El material se estira, y su resistencia al alargamiento se prueba.
  Esto generalmente da como resultado una deformación plástica significativa en materiales dúctiles, Mientras que los materiales quebradizan pueden fracturarse antes.
• Estrés por compresión: La compresión generalmente conduce a una deformación del material más corta y puede dar lugar a diferentes mecanismos de falla.
  Por ejemplo, El concreto tiene una alta resistencia a la compresión pero es débil en tensión.
• Estrés cortante: El estrés cortante implica fuerzas que actúan paralela a la superficie del material.
  Materiales con buena resistencia al corte, Como ciertos aceros, funcionará bien bajo estrés cortante, mientras que otros pueden deformarse o fallar prematuramente.

La magnitud de la carga También juega un papel:

• Cargas altas puede empujar los materiales a su deformación plástica región, conduciendo a cambios significativos en la forma.
• Cargas bajas Mantenga los materiales dentro del región elástica, donde pueden volver a su forma original después de que se elimine el estrés.

Factores ambientales

Las condiciones ambientales pueden influir significativamente en el comportamiento de la deformación de estrés de los materiales. Los factores ambientales comunes incluyen:

• Corrosión: La presencia de humedad, sales, u otros agentes corrosivos pueden debilitar los materiales, reduciendo su resistencia a la tracción y ductilidad.
  Por ejemplo, óxido El acero reduce su capacidad para resistir la tensión y puede conducir a una falla prematura.
• Fatiga: Ciclos repetidos de estrés vs. La cepa puede causar la degradación del material con el tiempo, Incluso si la tensión máxima aplicada está por debajo de la resistencia al rendimiento.
  Esto es crítico en aplicaciones como aeroespacial y componentes automotrices, donde los materiales sufren carga cíclica.
• Radiación: En entornos nucleares, La radiación puede causar fragilidad en metales y polímeros, reduciendo su capacidad para deformarse antes de la fractura.

Impurezas y defectos

La presencia de impurezas (como carbono en acero o azufre en metales) o defectos (tales como grietas o vacíos) puede cambiar drásticamente cómo un material responde al estrés:

• Impurezas puede actuar como puntos débiles dentro del material, concentrar el estrés y conducir a una falla prematura.
• Defectos, especialmente los internos, puede crear concentradores de estrés que hacen que los materiales sean más propensos a la fractura bajo carga.

Por ejemplo, Una pequeña grieta en un espécimen metálico puede actuar como un ascensante de estrés,

Reducir la resistencia general del material y conducir a la fractura a niveles de estrés mucho más bajos de lo que se predeciría a partir de materiales uniformes.

Historial de carga

El historia de estrés y tensión a lo que se ha sometido a un material juega un papel crucial en su comportamiento:

• Materiales que han sido sometidos a carga cíclica (Carga y descarga repetidas) puede experimentar fatiga y desarrollar grietas que se propagan con el tiempo.
• Materiales que sufren prefraining o Trabajar endureciendo puede exhibir características alteradas de tensión-deformación, tales como una mayor resistencia al rendimiento y una disminución de la ductilidad.

Ejemplo: Acero endurecido por el trabajo se vuelve más fuerte a medida que se acumulan las dislocaciones, haciéndolo más resistente a una mayor deformación pero menos dúctil.

5. Medición y técnicas experimentales

La medición y comprensión precisas de estrés vs. cepa Los comportamientos son vitales en las aplicaciones de ciencia de materiales e ingeniería.

Estas propiedades determinan cómo los materiales funcionarán bajo diferentes cargas y en diversas condiciones ambientales..

Se han desarrollado varias técnicas y métodos experimentales para cuantificar estrés vs. cepa, permitiendo a los ingenieros diseñar estructuras y productos más seguros y eficientes.

Esta sección profundizará en las técnicas más utilizadas., como funcionan, y la importancia de cada uno en la evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales.

5.1 Técnicas de medición de deformación

Tensar indicadores

Tensar indicadores son uno de los instrumentos más utilizados para medir la tensión. Un calibre de tensión es un delgado, Dispositivo resistente eléctricamente que se deforma cuando se somete a estrés.

Esta deformación provoca un cambio en su resistencia eléctrica, que se puede medir y correlacionarse con la cantidad de tensión experimentada por el material.

• Principio de funcionamiento: Los medidores de tensión consisten en una cuadrícula de metal fino o lámina unido a un respaldo flexible.
  Cuando el material al que se une el medidor de deformación se deforma, la cuadrícula también se deforma, Cambiar su resistencia. Este cambio es proporcional a la tensión en el material..
• Tipos de indupuestrados: Hay varios tipos, incluido frustrar, cable, y medidores de tensión de semiconductores.
  El tipo de aluminio es el más común y se usa ampliamente para medir la tensión en aplicaciones de ingeniería.
• Aplicaciones: Los medidores de tensión se utilizan en la prueba de estrés de los materiales, Monitoreo de salud estructural, e incluso industrias aeroespaciales y automotrices para evaluar el desempeño de los componentes críticos.

Correlación de imagen digital (DIC)

Correlación de imagen digital (DIC) es un método óptico para medir la tensión. Utiliza un par de cámaras de alta resolución para capturar imágenes de la superficie de un material en diferentes etapas de deformación.

El software especializado luego rastrea los cambios en el patrón de superficie para medir la tensión.

• Principio de funcionamiento: DIC funciona aplicando un patrón de moteos aleatorios (a menudo en blanco y negro) en la superficie del material.
  A medida que el material se deforma, El patrón de manchas se mueve y el software correlaciona las posiciones de las motas en diferentes imágenes para calcular el desplazamiento y la tensión.
• Ventajas: DIC proporciona mediciones de tensión de campo completo, haciéndolo ideal para analizar materiales y deformaciones complejas.
  También se puede usar para medir las cepas en 3D y no requiere contacto directo con la muestra.
• Aplicaciones: Esta técnica se utiliza en investigación y desarrollo., incluyendo estudiar el comportamiento del material bajo cargas de tracción o compresión, prueba de fatiga, y mecánica de fractura.

Extensómetros

Un extensómetro es un dispositivo utilizado para medir el alargamiento o la contracción de un espécimen bajo carga.

Consiste en un conjunto de sensores de desplazamiento que se unen a la muestra de prueba y monitorean su cambio de longitud durante las pruebas.

• Principio de funcionamiento: El extensómetro mide el desplazamiento entre dos puntos en una muestra, típicamente en el centro de la longitud del medidor.
  El desplazamiento relativo entre estos puntos proporciona el valor de deformación.
• Tipos de extensómetros: Estos incluyen Extensómetros de contacto (que tocan físicamente el espécimen),
  sin contacto (óptico) extensómetros, y extensómetros láser (que usan vigas láser para medir la distancia sin contactar la muestra).
• Aplicaciones: Los extensómetros se usan ampliamente en prueba de tracción y pruebas de compresión, Proporcionar mediciones de tensión precisas.

5.2 Técnicas de medición del estrés

Carga de celdas

Carga de celdas ¿Se utilizan sensores para medir la fuerza (o cargar) aplicado a un espécimen, proporcionando una medida directa de estrés.

Estos dispositivos convierten la fuerza mecánica en una señal eléctrica que se puede medir y registrar.

• Principio de funcionamiento: Las células de carga generalmente usan tensar indicadores Como el elemento de detección.
  Cuando se aplica una carga, El deformación de los medidores de tensión, y esta deformación se traduce en un cambio de resistencia eléctrica, que corresponde a la fuerza aplicada.
• Tipos de celdas de carga: Los principales tipos de celdas de carga incluyen celdas de carga de un solo punto, celdas de carga de tipo S, celdas de carga de bote, y celdas de carga de haz.
  Cada tipo tiene aplicaciones específicas dependiendo de los requisitos de medición y la configuración de carga.
• Aplicaciones: Las celdas de carga se usan en máquinas de ensayo de tracción, prueba de presión, y Sistemas de pesaje industrial, proporcionando una medición directa de la fuerza, que se puede usar para calcular el estrés.

Medición de concentración de estrés

Las concentraciones de estrés ocurren en las discontinuidades geométricas (p.ej., muescas, agujeros, y esquinas afiladas) y a menudo son áreas de falla en los materiales.

Estos se pueden medir usando fotoelasticidad o análisis de elementos finitos (FEA).

• Fotoelasticidad: Esta técnica implica aplicar la luz polarizada a los materiales transparentes bajo estrés.
  El material muestra franjas que indican la distribución del estrés, que se puede analizar para detectar regiones de concentración de estrés.
• Análisis de elementos finitos (FEA): FEA es un método computacional utilizado para simular la distribución de tensión dentro de un material o estructura bajo carga.
  Modelando el material y aplicando cargas, Los ingenieros pueden analizar el comportamiento e identificar áreas con concentraciones de alto estrés.
• Aplicaciones: Las mediciones de concentración de estrés son cruciales en el aeroespacial, automotor, y Ingeniería civil industrias para garantizar la seguridad y la durabilidad de los componentes críticos.

Círculo de Mohr para el análisis de estrés

El círculo de Mohr es un método gráfico para determinar el estado de estrés en un punto dentro de un material, especialmente para situaciones de estrés bidimensional.

Permite a los ingenieros calcular las tensiones normales y cortantes en diferentes orientaciones, proporcionando una visión valiosa de la respuesta del material a las fuerzas aplicadas.

• Principio de funcionamiento: El círculo de Mohr usa la tensión principal (tensiones máximas y mínimas) y tensiones de corte en un punto dado para generar un círculo.
  Los puntos en el círculo corresponden a las tensiones en diferentes planos dentro del material.
• Aplicaciones: El círculo de Mohr se usa en el análisis estructural, prueba de material, y análisis de fallas, particularmente cuando el material está sujeto a condiciones de carga complejas.

5.3 Pruebas combinadas de estrés y tensión

Máquinas de prueba universales (UTMS)

A Máquina de prueba universal es un dispositivo esencial utilizado para probar las propiedades mecánicas de los materiales, incluyendo tensión, compresión, y pruebas de flexión.
Estas máquinas miden ambas estrés vs. cepa Durante la aplicación de la fuerza.

• Principio de funcionamiento: UTMS aplica una fuerza controlada a una muestra y mida el desplazamiento o alargamiento correspondiente.
  Los datos de fuerza y ​​desplazamiento se utilizan para calcular el estrés vs. cepa, producir una curva de tensión-deformación.
• Aplicaciones: Los UTM se usan ampliamente para probar metales, polímeros, compuestos, y otros materiales. Son críticos en Laboratorios de pruebas de materiales, control de calidad, y R&D En varias industrias.

Mediciones combinadas de tensión y estrés en las pruebas de fatiga

En prueba de fatiga, Los materiales están sujetos a carga cíclica, y ambos estrés vs. La tensión debe medirse simultáneamente para comprender cómo se comporta el material bajo estrés repetitivo.

Máquinas de fatiga de flexión giratoria o máquinas de prueba servohidráulica se usan a menudo para este propósito.

• Principio de funcionamiento: Las máquinas aplican la carga cíclica mientras se monitorea el material para ambos estrés (a través de celdas de carga) y tensión (a través de extensómetros o medidores de tensión).
  Los datos resultantes son cruciales para predecir la vida de fatiga y los modos de falla del material.
• Aplicaciones: La prueba de fatiga es vital en industrias como automotor, aeroespacial, y energía Para garantizar la fiabilidad y la durabilidad de los componentes sujetos a la carga repetida.

6. Comparación del estrés vs. Cepa

Comprender las distinciones y las relaciones entre el estrés vs. La tensión es crítica para los ingenieros para diseñar seguro, eficiente, y materiales y estructuras duraderas.

Resumen de diferencias clave

Aspecto	Estrés	Cepa
Definición	Fuerza interna por unidad de área	Deformación o desplazamiento material
Unidades	Pascales (Pensilvania), Megapascales (MPa)	Imperfecto (relación)
Tipo de cantidad	Tensor (magnitud y dirección)	Escalar (solo magnitud)
Naturaleza	Causado por fuerzas externas	Causado por la deformación inducida por el estrés
Comportamiento material	Determina la resistencia del material	Mide la deformación del material
Elástico/plástico	Puede ser elástico o plástico	Puede ser elástico o plástico
Ejemplo	Fuerza por área en una barra de metal	Alargamiento de una barra de metal bajo tensión

7. Conclusión

El estrés y la tensión son conceptos fundamentales en ingeniería y ciencia de materiales.

Comprender su relación ayuda a los ingenieros a optimizar el rendimiento del material, mejorar la seguridad, y estructuras de diseño que resisten la falla.

Con avances en pruebas y simulaciones computacionales, Las industrias pueden mejorar la durabilidad y la eficiencia de los productos en diversos sectores.

Dominar el análisis de tensión-deformación, Los profesionales pueden tomar decisiones informadas en la selección de materiales, integridad estructural, y diseño innovador, Garantizar la confiabilidad a largo plazo en aplicaciones de ingeniería.