Todos los metales se deforman (se estiran o comprimen) cuando están sometidos a tensiones, en mayor o menor grado. Esta deformación es el signo visible de la tensión del metal llamada deformación del metal y es posible debido a una característica de estos metales llamada ductilidad—Su capacidad para alargarse o reducirse en longitud sin romperse.
Calcular el estrés
Estrés se define como fuerza por unidad de área como se muestra en la ecuación σ = F / A.
El estrés a menudo se representa con la letra griega sigma (σ) y se expresa en newtons por metro cuadrado, o pascales (Pa). Para mayores tensiones, se expresa en megapascales (106 o 1 millón de Pa) o gigapascales (109 o mil millones de Pa).
La fuerza (F) es masa x aceleración, por lo que 1 newton es la masa necesaria para acelerar un objeto de 1 kilogramo a una velocidad de 1 metro por segundo al cuadrado. Y el área (A) en la ecuación es específicamente el área de la sección transversal del metal que se somete a tensión.
Digamos que se aplica una fuerza de 6 newtons a una barra con un diámetro de 6 centímetros. El área de la sección transversal de la barra se calcula usando la fórmula A = π r
2. El radio es la mitad del diámetro, por lo que el radio es de 3 cm o 0,03 my el área es de 2,2826 x 10-3 metro2.A = 3,14 x (0,03 m)2 = 3,14 x 0,0009 metros2 = 0,002826 m2 o 2,2826 x 10-3 metro2
Ahora usamos el área y la fuerza conocida en la ecuación para calcular la tensión:
σ = 6 newtons / 2.2826 x 10-3 metro2 = 2.123 newtons / m2 o 2.123 Pa.
Calcular la deformación
Presion es la cantidad de deformación (estiramiento o compresión) causada por la tensión dividida por la longitud inicial del metal como se muestra en la ecuación ε = dl / l0. Si hay un aumento en la longitud de una pieza de metal debido a la tensión, se denomina deformación por tracción. Si hay una reducción en la longitud, se llama tensión compresiva.
La deformación a menudo se representa con la letra griega épsilon (ε), y en la ecuación, dl es el cambio de longitud y l0 es la longitud inicial.
La deformación no tiene unidad de medida porque es una longitud dividida por una longitud y, por lo tanto, se expresa solo como un número. Por ejemplo, un cable que tiene inicialmente 10 centímetros de largo se estira a 11,5 centímetros; su cepa es 0,15.
ε = 1,5 cm (el cambio de longitud o cantidad de estiramiento) / 10 cm (longitud inicial) = 0,15.
Materiales dúctiles
Algunos metales, como el acero inoxidable y muchas otras aleaciones, son dúctiles y ceden bajo tensión. Otros metales, como el hierro fundido, se fracturan y se rompen rápidamente bajo tensión. Por supuesto, incluso el acero inoxidable finalmente se debilita y se rompe si se somete a suficiente tensión.
Los metales como el acero con bajo contenido de carbono se doblan en lugar de romperse bajo tensión. Sin embargo, con un cierto nivel de estrés, alcanzan un límite de rendimiento bien entendido. Una vez que alcanzan ese límite de elasticidad, el metal se endurece por deformación. El metal se vuelve menos dúctil y, en cierto sentido, se vuelve más duro. Pero mientras que el endurecimiento por deformación hace que sea menos fácil que el metal se deforme, también lo hace más frágil. El metal quebradizo puede romperse o fallar con bastante facilidad.
Materiales frágiles
Algunos metales son intrínsecamente frágiles, lo que significa que son particularmente propensos a fracturarse. Los metales frágiles incluyen aceros con alto contenido de carbono. A diferencia de los materiales dúctiles, estos metales no tienen un límite elástico bien definido. En cambio, cuando alcanzan un cierto nivel de estrés, se rompen.
Los metales frágiles se comportan de forma muy similar a otros materiales frágiles como el vidrio y el hormigón. Al igual que estos materiales, son fuertes en ciertos aspectos, pero debido a que no se pueden doblar ni estirar, no son apropiados para ciertos usos.
Fatiga de metal
Cuando se tensionan los metales dúctiles, se deforman. Si se elimina la tensión antes de que el metal alcance su límite de elasticidad, el metal vuelve a su forma anterior. Si bien el metal parece haber vuelto a su estado original, sin embargo, han aparecido pequeñas fallas a nivel molecular.
Cada vez que el metal se deforma y luego vuelve a su forma original, ocurren más fallas moleculares. Después de muchas deformaciones, hay tantas fallas moleculares que el metal se agrieta. Cuando se forman suficientes grietas para que se fusionen, se produce una fatiga irreversible del metal.