La fabricación de maquinarias y otros objetos tiende a requerir elementos con características muy particulares relacionadas con la elasticidad. Si les parece interesante, sigan leyendo, los ponemos al día con respecto a la resiliencia en los materiales y su importancia.
¿Qué es la resiliencia en la materiales?
El término de resiliencia proviene de la palabra en latín “resilire”, que significa “recuperar” o “rebotar”. Esta propiedad se relaciona con la capacidad de un cuerpo de recuperar su forma anterior a la aplicación de una fuerza deformadora, ya sea que haya sido estirado, doblado o comprimido.
Esta es una propiedad relevante en el ámbito de la ingeniería e incluso en la arquitectura, pues, conocer con exactitud la resiliencia de un material, permite saber si el mismo puede soportar impactos continuos como parte de una maquinaria o los enormes esfuerzos al ser uno de los materiales de un edificio.
Un ejemplo sencillo e intuitivo es la elección de una viga utilizada en la construcción de un edificio, ¿cuál sería más adecuada para soportar esfuerzos? Una de hierro o una de arcilla.
La respuesta ni siquiera hay que pensarla porque es algo intuitivo que una viga de hierro resistiría mucho más esfuerzo que una de arcilla. De allí, la importancia de conocer la resiliencia, pues es una garantía que nos permitirá saber con exactitud cuánto puede soportar un material antes de deformarse.
Les recomendamos ver el siguiente video para saber ¿qué es la resiliencia?:
La resiliencia, en términos más técnicos, es la cantidad máxima de energía potencial elástica que puede acumular un material antes de llegar a su límite de deformación.
De esta manera, un material con alta resiliencia podrá soportar grandes deformaciones y recuperar su forma inicial sin problemas, por ejemplo, una liga.
Por otro lado, un material de baja resiliencia prácticamente no podrá recuperar su forma inicial al deformarse. Por ejemplo, una plastilina.
Energía potencial elástica
Para comprender la energía potencial elástica, basta con entender que se acumula en un objeto sometido a una tensión temporal. Por ejemplo, una liga.
Al estirar una liga, se aplica una fuerza que la deforma. En este estado de tensión, la misma acumulará energía potencial elástica, la cual será liberada una vez cese el esfuerzo sobre ella.
Los tipos de deformaciones
Existen dos tipos de deformaciones que pueden sufrir todos los materiales:
Deformación elástica
Este tipo de deformación es temporal, pues el cuerpo deformado recuperará su forma original una vez que la fuerza sobre él cese.
Un ejemplo de este tipo de deformación es la de un resorte. Puedes estirarlo, doblarlo o comprimirlo y volverá a su forma original.
La resiliencia es la propiedad que determinará hasta qué punto podrá deformarse elásticamente un material y siempre se medirá dentro del límite de deformación elástica del mismo.
Deformación plástica
Este tipo de deformación es permanente. El cuerpo deformado es incapaz de volver a su forma original luego de que el esfuerzo cese.
Una vez que se ha aplicado fuerza a un material más allá de su capacidad para recuperar su forma se dice que se ha superado el límite de deformación elástica.
Si se continúa aplicando fuerza, el material puede fracturarse o romperse debido a la fatiga del mismo o gracias a que ha alcanzado el punto de ruptura. Siguiendo el ejemplo anterior, si se estira un resorte demasiado, este será incapaz de volver a su forma original.
Importancia de la resiliencia
Esta propiedad de los materiales tiene beneficios increíbles que muchas veces pasan desapercibidos. Por ejemplo, un edificio que soporta las ondas sísmicas de un terremoto puede aguantar en pie gracias a que sus componentes son capaces de recuperar su forma inicial luego de las pequeñas deformaciones inducidas.
Un ejemplo más práctico son los colchones. Si el material de un colchón no fuera altamente resiliente, entonces al acostarse en el mismo se dejaría marcada la forma del cuerpo.
Aún más impresionantes son los resortes, un componente que se puede encontrar en una cantidad enorme de maquinaria y aparatos. Estos necesitan poseer la suficiente resiliencia para recuperar su forma sin sufrir daños una y otra vez.
De allí que los ensayos de resiliencia sean una constante a la hora de evaluar las propiedades de resistencia de los materiales.
Los ensayos para evaluar la resistencia de los materiales
En el área de la ingeniería es imprescindible el estudio de las propiedades de los materiales, por lo que se hace necesario encontrar métodos para medirlas de forma que pueda saberse con certeza bajo qué condiciones estos pueden usarse.
Entre estas pruebas se encuentran los llamados ensayos estáticos que incluyen:
- Tracción: necesario para conocer las características de los materiales metálicos, cerámicas, polímeros y compuestos a la temperatura ambiente. La tracción es el esfuerzo interno al que un cuerpo queda sometido por dos fuerzas opuestas que tienden a estirarlo.
- Fluencia: necesarios para conocer el comportamiento de materiales metálicos bajo temperaturas de medias o altas, superiores a los 300°C. También, es aplicado a polímeros o compuestos en condiciones ambientales que puedan mostrar fluencia a bajas temperaturas.
- Fractura: es también llamado ensayo de tenacidad. Es necesario para la evaluación del riesgo de la aparición de una fractura súbita en un material
- Dureza: es una herramienta básica para controlar las características de tracción de los materiales.
Además, están los dos ensayos dinámicos que son:
- Fatiga: Es de aplicación extensa, y es necesario para todas los materiales que vayan a someterse a fuerzas variables que puedan desgastarlo. Un ejemplo de fatiga es el de un alambre que se doble una y otra vez hasta partirlo. Dicha fractura ocurre debido a que el material se fatigó.
- Resiliencia: este ensayo es un requisito ineludible si se desea comprobar la calidad de los materiales, con él puede demostrarse con sencillez la tenacidad aproximada de los mismos.
Diferencia entre tenacidad y resiliencia
En el ámbito de la ciencia, la tenacidad y la resiliencia en los materiales pueden ser confundidos. La primera es la cantidad total de energía que puede acumular un objeto antes de la fractura, es decir, es una propiedad que te indica qué tan resistente es este a romperse en pedazos.
La diferencia con la resiliencia radica en el hecho de que con esta se mida la energía hasta el límite de deformación elástica, mientras que la tenacidad incluye, además, la energía durante la deformación plástica hasta alcanzar el punto de quiebre en donde el objeto se rompa.
El siguiente video explica muy bien la diferencia entre la resiliencia y la tenacidad, con pruebas y experimentos- ¡No te lo pierdas!:
Es normal que un material que suela ser muy tenaz tenga a su vez una gran resiliencia. Ambas propiedades están muy conectadas, al grado de que si se desea tener una medida de la tenacidad lo que normalmente se aplica es un “ensayo de resiliencia”.
El módulo de resiliencia
El módulo de resiliencia es usado para cuantificar la elasticidad de los materiales. Mide la cantidad de energía por unidad de volumen que un material puede resistir antes de llegar al límite de deformación elástica. Se suele denominar Ur.
Las unidades internacionales que se utilizan para medir este módulo es el Julio por metro cúbico (J/m3), siendo esta la unidad que se usa corrientemente en la medición de la energía, el trabajo o el calor.
Un Julio representa la energía necesaria para levantar 0,1 kg a una altura de 1 metro. El módulo de resiliencia da una idea de cuánta energía se necesita aplicarle a un determinado volumen de un material para alcanzar el límite de deformación elástica.
Pero es imprescindible saber que el volumen no es lo único que influenciará a la hora de lograr deformar un objeto, pues la forma o área del mismo también puede cambiar los resultados.
Es por eso que el módulo de resiliencia también puede ser medido tomando en cuenta la sección transversal de un objeto, siendo la unidad en el sistema internacional Julios sobre metros cuadrados (J/m2).
Para entender lo que es la sección transversal, lo más sencillo es imaginar un lápiz visto horizontalmente desde el extremo con la borra. Desde esta posición todo lo que se puede ver es un círculo, cuya área es la sección transversal del lápiz.
A la hora de intentar medir el módulo transversal de dos objetos de igual volumen, si su sección transversal es diferente, las medidas serán diferentes. No es lo mismo deformar una lámina de acero que un cubo de igual material, pues poseen volúmenes y áreas transversales diferentes.
Medición de la resiliencia en los materiales
Ciertos materiales, al ser sometidos a grandes esfuerzos debido a colisiones o golpes constantes, pueden fallar si no tiene la suficiente resiliencia para soportar las pequeñas deformaciones causadas por estos.
Por ello, una de las formas para medir la resiliencia es analizar el comportamiento del material bajo una serie de golpes, choques o impactos, ya que se tendrá una idea de cuánto pueden soportar antes de deformarse completamente.
Para la medición de la resiliencia o la tenacidad se usan normalmente dos ensayos:
Péndulo de Charpy
Es un tipo de péndulo ideado por George Charpy en 1986, como una mejora al método utilizado para cuantificar las propiedades de resistencia de los materiales usado en la época.
Con este péndulo se pueden realizar ensayos de impacto para el cálculo de la resiliencia. Funciona con un brazo giratorio de masa conocida “m” que al liberarse impactará, desde una altura determinada “H”, con un probeta del material que deseemos probar.
La probeta debe tener una cuña o hendidura (llamada también entalla) y ser golpeada por el lado contrario a la misma. La temperatura durante el experimento tiene que ser constante (a unos 20 °C).
El siguiente video ilustra un experimento usando el péndulo de Charpy:
Al final, la energía gastada por el péndulo para romper la probeta será calculada por la diferencia en la energía potencial antes y después del golpe.
Básicamente, como se sabe que el péndulo comienza a una altura “H”, la altura a la que llegará después de romper la probeta (h) será necesariamente menor debido a la pérdida de energía potencial. Esta energía no desapareció, sino que fue la usada para romper la probeta.
La fórmula por medio de la cual se puede calcular la diferencia de energía potencial (ΔEP) es la siguiente:
ΔEp=EH-Eh=m*g*(H-h).
Donde EH y Eh son las energías potenciales a la altura inicial (H) y final (h) del péndulo. Todo objeto, con respecto a un punto de referencia (que sería la altura 0), posee una energía potencial de acuerdo con qué tan alto esté. Esta energía se define como m*g*h, donde m es su masa, g es la aceleración de la gravedad y h es su altura.
Método de Izod
Este método utiliza también un péndulo Charpy, la diferencia radica en la colocación de la probeta.
Mientras que en el método de Charpy la golpea justo detrás de la entalla, en el de Izod se coloca la probeta de forma que el péndulo impacte contra uno de sus lados. Para entender esto puede observarse la siguiente imagen.
Cálculo del módulo de resiliencia
Finalmente para calcular el módulo de resiliencia se necesitará conocer los detalles de la probeta destruida. Específicamente su sección transversal. Conocida en este caso como sección de rotura.
Para obtener el módulo de resiliencia se divide la diferencia de energía (ΔEp) entre la sección de rotura. La unidad será, en este caso, J/m2.
Es importante saber que lo que se mide durante este experimento es un valor indicativo de la fragilidad o resistencia a los impactos del material.
Según lo explicado anteriormente, la tenacidad es la propiedad que tiene que ver con el punto de ruptura. Sin embargo, cuando la fractura de la probeta es tan repentina (como sucede con un péndulo Charpy) el valor calculado coincidirá con la resiliencia del material.
Ejemplo práctico
Para entender mejor el procedimiento se mostrará a continuación el ejemplo de un cálculo de la energía en un ensayo con un péndulo Charpy.
- Supongamos que se realizar un ensayo de impacto con un péndulo Charpy de 20 kilogramos de fuerza, se deja caer desde una altura de 100cm.
- Luego de romper la probeta, el péndulo alcanza una altura de 80cm.
- La probeta posee una sección cuadrada de 10 mm y una entalla o hendidura de 2mm.
- Si se aplica la fórmula vista anteriormente, se puede calcular la energía necesaria para romper el objeto.
- ΔEp= m*g*(H-h) = 20 kg *9.8 m/s2 *(1m -0.8m) = 39.2 J.
- La probeta tiene una sección cuadrada de 10 mm con una entalla de 2 mm. Por lo que la sección transversal total es: 10mm * (10mm – 2mm) = 80mm2.
- Debido a esto, el módulo de resiliencia será: 39.2 J/80mm2=0.49 J/mm2 .
Parámetros que afectan un ensayo de resiliencia
La resiliencia en los materiales es afectada por muchos factores. Debido a ello, las condiciones del ensayo tienen que ser lo más uniforme posible para evitar que se pueda cometer algún error durante las mediciones.
Velocidad del impacto
Uno de los factores que afectan la medición es la velocidad de impacto. Si se realizan múltiples mediciones, el péndulo debe soltarse desde la misma altura y en caída libre, para que así alcance la probeta en todas las mediciones con una velocidad aproximadamente igual.
Las normas para el ensayo fijan la velocidad de impacto a 5-5,5 m/s, lo que correspondería a una caída libre de 1,27 metros.
Radio de fondo de la entalla
Una entalla es una ranura o cuña que representa el punto débil de la probeta, en ella se acumulan la mayoría de las tensiones que puedan recaer sobre el objeto. Puede tener forma de “V”, de “U” o de una herradura.
A la hora de realizar un ensayo de resiliencia, deben usarse probetas de la misma forma para evitar errores.
Además, el parámetro del radio de fondo de la entalla (que representa qué tan amplia es esta en la probeta) puede afectar las mediciones de manera significativa. Se ha comprobado experimentalmente que a mayores radios de fondo, mayor es la resiliencia medida.
Las normas para el radio de fondo de las probetas son las siguientes:
- Para aquellas en forma de “V”, un radio de fondo de 0,25mm.
- Aquellas en forma de “U”, un radio de fondo de 1mm.
- Para aquella en forma de herradura, un radio entre un mínimo de 1mm a 1,6mm.
Temperatura
La temperatura es otro factor importante que puede afectar la resiliencia en los materiales. Experimentalmente, se observa una mayor resiliencia para temperaturas más altas.
En algunos tipos de aceros, se puede observar una caída brusca en la resiliencia para temperaturas entre 0 y -20°C, hasta el punto de presentar un comportamiento totalmente frágil.
Gracias a esto existen normas estrictas sobre los valores de resiliencia permitidos a diferentes temperaturas (20, 0, -20 y -40°C) para que un material pueda ser usado en la construcción de cualquier cosa.
El tipo de fractura y la resiliencia
Incluso la forma en la que se fractura la probeta pueden dar pistas sobre la resiliencia en los materiales.
Existen dos tipos de fracturas que aparecen en las probetas, una es llamada cristalina brillante y la otra fractura fibrosa. La primera se caracteriza por un brillo distintivo, mientras la segunda es normalmente mate.
Experimentalmente, se ha observado una relación directa entre las fracturas fibrosas y la resiliencia. Esta fractura parece ocurrir debido a una mayor capacidad de absorción de energía del material. Mientras, la cristalina aparece más en materiales de baja resiliencia.
La ductilidad y la resiliencia en los materiales
La ductilidad es una propiedad de los materiales que se refiere a la capacidad de poder deformarse plásticamente de manera prolongada sin llegar a romperse del todo. Su contrapartida es la fragilidad. Un material frágil es aquel que antes de perder la forma, se fractura.
Un ejemplo sencillo de un material dúctil es un cable de cobre. Si se golpea con un martillo se puede observar que queda aplanado pero no se rompe.
Experimentalmente, se ha encontrado una relación entre la ductilidad y la resiliencia. Esta viene dada por la capacidad del material de deformarse sin fracturarse. Sin ductilidad el material sería frágil y se romería al ser sometido a una gran fuerza.
Sin embargo, una alta ductilidad no es un indicador definitivo de alta resiliencia, pues el cable de cobre no recuperará su forma luego de ser golpeado por el martillo.
A su vez, se ha encontrado que los materiales dúctiles tienden a presentar fracturas del tipo fibrosa, por lo que se le conoce con el nombre de fractura dúctil.
Mientras que materiales frágiles presentan fracturas del tipo cristalina, conocida por ello como fractura frágil.
Los tipos de materiales resilientes
El material más resiliente del que se tenga conocimiento es la tela de araña. Este puede llegar a soportar 4500 kJ/m3 (kJ = kilo julio o 1000 Julios), lo cual se traduce en una enorme capacidad de absorción de energía por metro cúbico de material.
Es en parte por esta razón que a la tela de araña se le conoce como el material más resistente. Su capacidad para deformarse elásticamente y recuperar su forma después del cese del esfuerzo que la deforma es sorprendente. Igualmente, un tendón también es un mineral muy resiliente, capaz de almacenar hasta 2800kJ/m3.
En contraste, es curioso observar que un cable de acero presenta una resiliencia de apenas 900kJ/m3, lo cual es un valor elevado pero queda opacado por materiales naturales.
Los aceros austeníticos presentan un elevado grado de resiliencia, esto se debe principalmente a la presencia de austenita, que es una forma específica en la cual los átomos de hierro y carbono (los dos componentes del acero) pueden alinearse, el producto es dúctil y blando, pero de alta tenacidad.
Los diferentes tipos de maderas presentan una gran variedad en lo que a resiliencia se refiere. Esta puede cambiar según la dirección de las fuerzas y la orientación de las fibras de la madera. En cambio, los valores de tenacidad pueden ser muy elevados en algunos casos.
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