Elástico, plástico o viscoelástico: tres formas de responder a una carga que pueden identificarse en una sola gráfica.
La forma más directa de conocer el comportamiento mecánico de un material es aplicarle una carga y medir cómo responde. Es lo que se hace en un ensayo de tracción.
La probeta se sujeta entre dos mordazas y se estira a velocidad controlada. Durante el ensayo se registran dos señales a la vez: la fuerza que opone el material, medida con una célula de carga, y su alargamiento, medido con un extensómetro. Al representar una frente a otra se obtiene la curva fuerza-deformación, una auténtica huella dactilar mecánica del material.
De la fuerza a la tensión
Esta curva depende de las dimensiones de la probeta: una barra con el doble de sección soporta el doble de fuerza, aunque el material sea el mismo. Para comparar materiales, y no piezas concretas, ambas magnitudes se normalizan:
Con este cambio de escala, la forma de la gráfica no varía, pero deja de describir una pieza concreta y pasa a describir el material. En sentido estricto, la curva en bruto es de fuerza-alargamiento y la normalizada, de tensión-deformación. En la práctica, ambos nombres se usan casi como sinónimos.
El ensayo de tracción, paso a paso
En el panel siguiente puede seleccionarse un material e iniciar el ensayo. La probeta se estira mientras la curva se dibuja, tal como aparecería en la pantalla de una máquina de ensayos.
Ensayo de tracción
Deformación elástica: un proceso reversible
El primer tramo de casi todas las curvas es una recta. En esa zona el material se comporta como un muelle: la tensión es proporcional a la deformación y, al retirar la carga, la probeta recupera exactamente su longitud inicial.
Es la ley de Hooke. La pendiente de la recta es el módulo de Young (E) e indica la rigidez del material.
A escala atómica, los enlaces entre átomos se estiran ligeramente, sin llegar a romperse. Al retirar la carga, cada átomo vuelve a su posición de equilibrio y la energía aportada se recupera por completo.
Deformación plástica: un cambio permanente
Si la carga sigue aumentando, la recta empieza a curvarse. Ese punto es el límite elástico.
A partir de él, unos planos de átomos se desplazan respecto a otros. En los metales, este deslizamiento avanza de forma escalonada gracias al movimiento de unos defectos de la red cristalina llamados dislocaciones. Los átomos quedan en su nueva posición y, aunque se retire la carga, esa parte del alargamiento ya no se recupera.
El panel siguiente permite comprobarlo. Una vez elegido hasta dónde se estira la prenda, puede observarse el camino de vuelta. La descarga desciende paralela a la recta elástica, y el punto en el que corta el eje horizontal indica la deformación permanente.
Carga y descarga
Si la pieza se vuelve a cargar, la curva sube por la misma recta de descarga. El material no empieza a ceder hasta alcanzar la tensión máxima a la que había llegado antes: se ha vuelto más resistente, a costa de perder ductilidad.
Este fenómeno se denomina endurecimiento por deformación. Explica, por ejemplo, por qué un alambre se vuelve cada vez más duro al doblarlo varias veces.
En muchos metales la transición es tan gradual que no hay un punto claro en el que termine la recta. Por convenio, se toma la tensión que produce un 0,2 % de deformación permanente. Es el límite convencional de elasticidad, Rp0,2, definido en la norma UNE-EN ISO 6892-1.
Cada familia de materiales, su curva
Comparativa
- Cerámicas y vidrios. Son muy rígidos y su curva es una recta casi perfecta hasta el final. Rompen sin aviso y sin una deformación plástica apreciable: es la llamada rotura frágil.
- Metales dúctiles. Tras la zona elástica, se endurecen a medida que se deforman hasta alcanzar una tensión máxima. A partir de ahí aparece la estricción: la deformación se concentra en un cuello. La curva desciende porque la fuerza se sigue dividiendo entre la sección inicial, aunque la sección real sea cada vez menor.
- Polímeros dúctiles. Después de ceder, forman un cuello que se propaga a lo largo de la probeta a tensión casi constante. Mientras tanto, las cadenas moleculares se desenredan y se alinean. Pueden alcanzar varias veces su longitud inicial.
- Elastómeros. El caucho admite deformaciones muy grandes y casi totalmente recuperables, pero su curva no es recta: tiene forma de S.
| Material | Módulo de Young | Límite elástico | Alargamiento a rotura |
|---|---|---|---|
| Acero estructural S275 | 210 GPa | 275 MPa | ≈ 22 % |
| Aluminio 6061-T6 | 69 GPa | ≈ 275 MPa | ≈ 12 % |
| Vidrio sodocálcico | ≈ 70 GPa | No cede: rompe | < 0,1 % |
| Polietileno de alta densidad (HDPE) | ≈ 1 GPa | 20–30 MPa | > 500 % |
| Caucho natural | 1–10 MPa | Sin cedencia | 500–800 % |
Viscoelasticidad: cuando interviene el tiempo
Hasta ahora se ha supuesto que la respuesta del material no depende de la velocidad del ensayo. En polímeros, espumas, gomas, asfaltos o tejidos biológicos, esa hipótesis deja de ser válida.
Estos materiales se comportan en parte como un sólido elástico, que almacena energía, y en parte como un fluido viscoso, que la disipa. Por eso se denominan viscoelásticos.
Este comportamiento tiene dos consecuencias. La primera es que la curva cambia con la velocidad del ensayo. La segunda es que los caminos de carga y de descarga no coinciden: forman un lazo de histéresis, cuya área es la energía que se disipa en forma de calor en cada ciclo.
Ciclo de carga y descarga
La masilla elástica de juguete lo ilustra bien. Lanzada contra el suelo, rebota como una pelota; apoyada sobre una mesa, acaba extendiéndose como un líquido espeso.
Fluencia lenta y relajación
El tiempo también influye cuando la carga se mantiene constante. Bajo una fuerza sostenida, un material viscoelástico sigue deformándose poco a poco: es la fluencia lenta.
Si lo que se mantiene constante es la deformación, la tensión disminuye progresivamente: es la relajación de tensiones. Por este motivo, una cuerda de nailon recién montada en una guitarra se desafina durante los primeros días.
Fluencia lenta de una espuma viscoelástica
El ejemplo del jersey vuelve a ser útil aquí. Una prenda que ha dado de sí recupera parte de su forma tras el lavado, lo que indica que en los tejidos también influyen el tiempo, la temperatura y la humedad. En muchos materiales reales, el comportamiento plástico y el viscoelástico coexisten.
Ideas clave
- Elástica: la deformación desaparece al retirar la carga y la energía se recupera.
- Plástica: superado el límite elástico, parte de la deformación es permanente. La prenda «ha dado de sí».
- Viscoelástica: la respuesta depende del tiempo y de la velocidad, y en cada ciclo se disipa parte de la energía.
Medir bien es la mitad del trabajo
Instrumentación de bancos de ensayo
Una curva es tan fiable como las señales que la forman: una célula de carga adecuada al rango, un extensómetro bien elegido, una velocidad de ensayo controlada y una frecuencia de muestreo suficiente para registrar la rotura. En Adecua diseñamos e integramos sistemas de medida para este tipo de ensayos.
