QUÈ ÉS L'ESFORÇ DE CEDÈNCIA I COM OBTENIR-LO? - FÍSICA - 2025

El esforç de cedència es defineix com l'esforç necessari perquè un objecte comenci a deformar-se permanentment, és a dir, que experimenti una deformació plàstica sense arribar a trencar-se o fracturar-se.

Com aquest límit pot resultar una mica imprecís per a alguns materials i la precisió de l'equip utilitzat és un factor de pes, en enginyeria s'ha determinat que l'esforç de cedència en metalls com l'acer estructural és aquell que produeix un 0.2% de deformació permanent en l'objecte.

Figura 1. Els materials usats en construcció són sotmesos a proves per determinar què tant esforç són capaços de resistir. Font: Pixabay.

Conèixer el valor de l'esforç de cedència és important per saber si el material és apropiat per a l'ús que se li vulgui donar a les parts fabricades amb ell. Quan una peça s'ha deformat més enllà de el límit elàstic, possiblement no pugui realitzar correctament la funció a la qual estava destinada i ha de ser substituïda.

Per obtenir aquest valor, usualment es realitzen proves sobre mostres fetes amb el material (provetes o espècimens), les quals se sotmeten a diversos esforços o càrregues, mentre es mesura l'elongació o estirament que experimenten amb cadascuna. A aquestes proves se les coneix com assaigs de tracció.

Per realitzar un assaig de tracció es comença aplicant una força des de zero i es va incrementant gradualment el valor fins que la mostra es trenca.

Corbes esforç deformació

Els parells de dades obtingudes mitjançant l'assaig de tracció es grafican col·locant la càrrega en l'eix vertical i la deformació en l'eix horitzontal. El resultat és una gràfica com la que es mostra a continuació (figura 2), anomenada corba esforç-deformació per al material.

A partir d'ella es determinen moltes propietats mecàniques importants. Cada material té una corba esforç-deformació pròpia. Per exemple, una de les més estudiades és la de l'acer estructural, també anomenat acer dolç o de baix carboni. Es tracta d'un material àmpliament utilitzat en la construcció.

La corba esforç-deformació posseeix zones distintives en les quals el material té cert comportament d'acord a la càrrega aplicada. La seva forma exacta pot variar considerablement, però no obstant això tenen algunes característiques en comú que es descriuen a continuació.

Per al que segueix vegeu la figura 2, que correspon en termes molt generals a l'acer estructural.

Figura 2. Corba esforç-deformació per a l'acer. Font: modificat de Hans Topo1993

zona elàstica

La zona que va des de O fins a A és la zona elàstica, on és vàlida la Llei d'Hooke, en la qual l'esforç i la deformació són proporcionals. En aquesta zona el material es recobra totalment després de l'aplicació de l'esforç. El punt A es coneix com a límit de proporcionalitat.

En alguns materials la corba que va de O a A no és una recta, però no obstant això no per això deixen de ser elàstics. L'important és que recobrin la seva forma original quan la càrrega cessa.

Zona elàstic-plàstica

De seguida tenim la regió de A fins a B, en el qual la deformació augmenta més ràpidament amb l'esforç, deixant de ser tots dos proporcionals. El pendent de la corba disminueix i en B es torna horitzontal.

A partir del punt B el material ja no recupera la seva forma original i es considera que el valor de l'esforç en aquest punt és el de l'esforç de procedència.

La zona que des de B fins a C s'anomena zona de procedència o influència de l'material. Allà la deformació prossegueix malgrat que la càrrega no està augmentant. Fins i tot pogués disminuir, per això es diu que el material en aquesta condició és perfectament plàstic.

Zona plàstica i fractura

A la regió que va des de C fins a D es presenta un enduriment per deformació, en la qual el material presenta alteracions en la seva estructura a nivell molecular i atòmic, que fan necessaris més esforços per aconseguir deformacions.

Per això la corba experimenta un creixement que finalitza a l'arribar l'esforç màxim σ _max.

Des D fins I encara hi ha deformació possible però amb menys càrrega. Es forma una espècie d'aprimament a la mostra (proveta) anomenada estricció, que condueix finalment al fet que en el punt E s'observi la fractura. No obstant això ja en el punt D el material es pot considerar que està trencat.

Com obtenir l'esforç de cedència?

El límit elàstic L _i d'un material és l'esforç màxim que pot suportar sense perdre l'elasticitat. Es calcula mitjançant el quocient entre la magnitud de la força màxima F _m i l'àrea de secció transversal de la mostra A.

L _i = F _m / A

Les unitats de el límit elàstic en Sistema Internacional són N / m ² o Pa (pascals) ja que es tracta d'un esforç. El límit elàstic i el límit de proporcionalitat en el punt A són valors molt propers.

Però com es va dir a l'inici, pot no ser senzill determinar-los. L'esforç de cedència obtingut a través de la corba esforç-deformació és l'aproximació pràctica a el límit elàstic que s'utilitza en enginyeria.

Esforç de procedència a partir de la corba esforç-deformació

Per obtenir-lo traça una recta paral·lela a la línia que correspon a la zona elàstica (la qual obeeix la llei de Hooke) però desplaçada aproximadament un 0.2% sobre l'escala horitzontal o 0.002 plg per polzada de deformació.

Aquesta línia s'estén fins a intersectar la corba en un punt la coordenada vertical és el valor buscat de l'esforç de cedència, denotat com σ _i, tal com s'aprecia a la figura 3. Aquesta corba pertany a un altre material dúctil: l'alumini.

Figura 3. Corba esforç - deformació per alumini, a partir de la qual es determina l'esforç de cedència en la pràctica. Font: elaboració pròpia.

Dos materials dúctils com acer i alumini tenen corbes esforç-deformació diferents. L'alumini per exemple, no presenta el tram aproximadament horitzontal de l'acer que s'aprecia en la secció precedent.

Altres materials considerats fràgils com el vidre, no passen per les etapes descrites anteriorment. La ruptura passa molt abans que ocorrin deformacions apreciables.

Detalls important a tenir en compte

- Els esforços considerats en principi no tenen en compte la modificació que sens dubte es produeix en l'àrea de la secció transversal de la proveta. Això indueix un error petit que es corregeix graficant els esforços reals, aquells que tenen en compte la reducció de l'àrea a mesura que augmenta la deformació de la proveta.

- Les temperatures considerades són normals. Alguns materials dúctils a baixes temperatures deixen de ser-ho, mentre que altres fràgils es comporten com dúctils a majors temperatures.

referències

1. Beer, F. 2010. Mecànica de materials. McGraw Hill. 5ta. Edició. 47-57.
2. Engineers Edge. Yield Strength. Recobrat de: engineersedge.com.
3. Esforç de fluència. Recobrat de: instron.com.ar
4. Valera Negrete, J. 2005. Apunts de Física General. UNAM. 101-103.
5. Wikipedia. Fluència. Recobrat de: Wikipedia.com