En esta ocasión tendremos la oportunidad de hacer una reseña sobre un tema muy importante en la ingeniería moderna, estamos hablado de la resiliencia en los materiales, este tema es de vital importancia para efectos de construcción de diferentes estructuras debido a que medirá que tan resistente es un material a la fatiga y que tan durable es, en este artículo te explicaremos los conceptos clave del mismo, las características de los materiales que poseen esta virtud, solo acompáñanos.
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¿Qué es la resiliencia en los materiales?
En primer lugar, debemos dar el concepto de resiliencia desde el punto de vista de la ingeniera, el cual es la propiedad de un material que permite que recupere su forma o posición original después de ser sometido a una fuerza de doblado, teniendo en cuenta la fatiga del mismo para poder determinar el estiramiento o compresión de este, esta cualidad es importante para determinar la utilización de materiales para distintas aplicaciones en el ámbito de la ingeniería.
En otra instancia, lógicamente esto debe darse antes de que comience lo que se conoce en este ámbito como deformación plástica la cual se define como una deformación permanente o irreversible del material, entonces este será el punto limite el cual no se debe sobrepasar debido a que en caso contrario no volvería a su forma original, quedando inservible y deformado permanentemente. Para poner un ejemplo practico de esto, un material muy conocido por tener una gran resiliencia es la goma plástica, la cual puede deformarse mucho y volver a su forma original, esto se debe a que la deformación elástica es la deformación que se caracteriza por ser extrema mientras no rompa o se deforme permanentemente el material pudiendo llegar de nuevo a su forma natural. La resiliencia se mide siempre dentro de la deformación elástica del material.
Es por ello que se denomina límite elástico de un material, a la fuerza máxima que se le puede aplicar sin sufrir deformaciones permanentes. Por lo tanto, la energía que absorbe un material antes de llegar a su límite elástico es la resiliencia en sí, este concepto es útil para resortes, bandas elásticas y cualquier otro material que deba deformarse y recuperar su forma original.
Es por ello que si se va sometiendo a un material cada vez a más fuerza sobre el mismo, y el material no se rompe ni deforma permanentemente, significa simplemente que su resiliencia irá aumentando a medida que la fuerza se incremente sobre este.
Ahora bien, si se deja de aplicar la fuerza necesaria para mantenerlo deformado, la energía absorbida la liberará para volver a su estado o forma inicial, si el material es altamente resiliente volverá de forma enérgica a su estado original, para poner un ejemplo de esto podemos observar a una banda elástica, al estirarla al máximo esta volverá violentamente a su forma natural.
Esto quiere decir que la máxima resiliencia se conseguirá cuando el material al que se le aplique la fuerza llegue al punto romperse o deformarse permanentemente. Es entonces que se podría decir que es la capacidad de memoria que tiene un material para volver a su forma inicial después de una deformación extrema por parte de una fuerza exterior. Según las practicas gráfica de un ensayo de resiliencia de un material, Su resiliencia va aumentando según aumetamos la fuerza sobre el material A partir del límite elástico ya sufre deformaciones permanentes, y por lo tanto, ya no hay resiliencia, es por eso que los ingenieros tienen esto muy en cuenta a hora de colocar un material de alta resiliencia en diversas aplicaciones.
¿Cómo se comportan los materiales con resiliencia?
Se puede describir como un material con alta resistencia a la deformación permanente (resiliente) el que sufre una deformación de manera importante y muy significativa antes de romperse o deformarse de forma definitiva, mientras que un material con baja resiliencia se define como aquel material el cual es muy frágil y apenas experimenta deformación alguna antes de romperse de manera definitiva. La goma elástica tiene alta resiliencia debido a que puede deformarse de manera extrema antes de fracturarse y el vidrio en contraposición posee una resiliencia muy baja debido a que es un material muy rígido.
La definición real en la ciencia de los materiales es la siguiente:
La resiliencia se define como la capacidad que posee un material para poder absorber la energía elástica cuando es deformado de manera extrema y de cederla cuando se deja de aplicar la carga, volviendo este a su forma original. Como ves significa más o menos lo mismo que el concepto aplicado a bandas elásticas.
La propiedad asociada a este concepto se denomina módulo de resiliencia, Ur, y es con lo que se puede realizar una medición real de la resiliencia de un material, esta unidad de media cobra importancia en la construcción de infinidad de objetos en todo el mundo, debido a que es un concepto básico de la ingeniería.
Otro concepto que se debe entender es que el módulo de Resiliencia es la energía de deformación por unidad de volumen que se requiere para deformar un material hasta su límite elástico, es por ello que cuando se prueba un material para una aplicación específica, estas medidas deben estar presentes como garantía de que el material podrá soportar tensiones altas.
Resiliencia por unidad de volumen es otro factor importante cuando se realicen ensayos con estos materiales. Estas aplicaciones se miden en Julios por Unidad de Volumen (Julios por metros cúbicos en el Sistema Internacional). Luego veremos más detalladamente el módulo de resiliencia las medidas específicas que se deben tener en cuenta para sus aplicaciones.
Ahora bien, para poder hacer la prueba y la cuantificación de la resiliencia de un material se tendrá que determinar mediante a los ensayos por el método Izod o el péndulo de Charpy, resultando un valor indicativo de la fragilidad o la resistencia a los choques del material ensayado. Luego veremos cómo se hacen estos ensayos para testear distintos tipos de materiales.
Medición de la Resiliencia de un Material
En el estricto sentido de la ingeniería, para los materiales sometidos a impactos o variaciones bruscas de cargas de energía cinética, que pueden aparecer circunstancialmente por diferentes motivos, la falla tiende a producirse por lo general porque el material que recibe toda esta energía no puede aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, esto se produce aun en metales dúctiles, los cuales son muy flexibles. En estos casos conviene analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto para tener una idea de cuanta energía puede soportar antes de llegar al punto de irreversibilidad.
Para que esto sea posible se deben realizar los llamados ensayos de choque los cuales podrán determinar, pues, la fragilidad o capacidad de un material para absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, referido a la unidad de área, para obtener la llamada resiliencia que tanto buscan los ingenieros a la hora de probar los materiales que dispondrán para sus aplicaciones.
Ahora bien, podemos decir que con este concepto no se consigue la muy conocida propiedad definida del material, sino que se obtiene lo que se conoce como el índice comparativo de su plasticidad, todo esto en estricta relación a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que deben considerarse los diferentes factores que inciden sobre ella para estar seguros de que el material posee una resiliencia característica de la cual se puede confiar.
También es importante señalar que la resiliencia se diferencia de la tenacidad en que esta última cuantifica la cantidad de energía absorbida por unidad de superficie de rotura bajo la acción de un esfuerzo progresivo, y no por impacto repentino, por lo que existe una diferencia bastante marcada entre un impacto y la aplicación de una fuerza progresiva.
Entonces podemos decir que la tenacidad puede corresponder a lo que se conoce como el área bajo la curva de un ensayo de tracción entre la deformación nula y la deformación correspondiente al límite de rotura (resistencia última a la tracción). En cambio la resiliencia es la capacidad de absorber energía en el periodo elástico, y corresponde al área bajo la curva del ensayo de tracción entre la deformación nula y el límite de fluencia, lo cual corresponde una gran diferencia.
Para poder medir correctamente la Resiliencia de un material se debe tomar en cuenta mediante a un ensayo por el Método Izod o el Péndulo de Charpy, todo esto dará como resultado final un valor indicativo de la fragilidad o la resistencia a los choques del material ensayado para tener una información precisa de cuánto pueden resistir antes de una fractura.
Para tener un ejemplo claro de cómo funciona la resiliencia en un metal un grado alto de resiliencia es característico de los aceros austeníticos (aceros con alto contenido de austenita) lo que significa que son flexibles.
En aceros al carbono, los aceros suaves (con menor contenido de carbono), tienen una mayor resiliencia que los aceros duros con un contenido de carbono más alto.
Unidad de Medida
La unidad de media de la Resiliencia se expresa en Julios por metro cuadrado : J/m2 (Según Sistema Internacional de Unidades).
Otra unidad muy empleada en Ingeniería, es kgf·m/cm2; o kilopondio metro por centímetro cuadrado: kp·m/cm2 la cual es útil en distintos materiales.
¿Para Que Sirve la Resiliencia?
Para que entiendas cual es la utilidad de esta propiedad en los materiales debes imaginar el parachoques de tu vehículo para que comprendas como funciona ¿Te gustaría saber cuánto podría aguantar en un choque contra otro vehículo o una barrera sin romperse causando un daño significativo a tu vehículo? Pues hay tienes un ejemplo de para qué sirve la resiliencia, sus aplicaciones están en todos lados.
Otro de los usos aplicables a la resiliencia en los materiales es que se utiliza mucho la en los colchones, para que entiendas mejor esta explicación, si en los colchones no existe mucha resiliencia este no funcionara bien porque no podrá volver a su forma original. Un colchón debe tener alta resiliencia para que se deforme cuando estamos tumbados en él, de lo contrario quedaría deformado al levantarnos, los mejores colchones tienden a mantener su forma por años.
En la ingeniería es bien sabido que se realizan continuamente los ensayos de resiliencia (como los que vamos a ver) para calcular la facilidad o no de deformarse de miles de materiales metálicos. plásticos, maderas, etc es por ello que esta propiedad es de suma importancia para la constricción de distintos materiales y aplicarlos en muchos usos.
Diferencia entre Tenacidad y Resiliencia
Ahora bien, Es muy importante conocer bien la diferencia ya que son términos parecidos y puede llevar a errores, por lo que si no los conocemos bien pueden suponer fallas en los materiales que se fabriquen y los ensayos serian erróneos.
Es por ello que se debe tener muy en cuenta que la tenacidad es la cantidad de energía que es absorbida por el material justo antes de romperse (cuando rompe) por lo que antes de ese punto, el material puede deformarse permanentemente. La resiliencia nos dice la energía almacenada durante la deformación elástica. Un material puede sobrepasar su límite de resiliencia y seguir deformándose (ahora permanentemente) sin romperse. Una vez llega a la rotura, esa será su tenacidad, es por ello que deben diferenciarse muy bien.
Comúnmente un material tenaz es aquel que debe aplicársele mucha fuerza para poder romperlo, entonces este suele tener mucha resiliencia, es por ello que se colocaran los dos conceptos bien definidos a continuación:
Tenacidad: Esta es una medida de la habilidad de un material para absorber energía sin fractura, esta puede sobrepasar su resiliencia.
Resiliencia: Es la propiedad que mide la habilidad de un material para absorber energía sin deformación plástica o permanente, por lo cual mientras más resiliente sea un material más elasticidad y flexibilidad tendrá.
Ensayo de Resiliencia
Los ensayos de resiliencia de un material consiste en romper una probeta de muestra del material golpeándola con un péndulo. Son por lo tanto ensayos destructivos. Tenemos dos Charpy e Izod.
Ensayo de Resiliencia Charpy
Este es un ensayo muy conocido en el mundo de la ingeniería el cual se realiza con la máquina o un péndulo de Charpy, este se encarga de medir la energía consumida en la rotura de una probeta por un golpe sobre ella esta energía se caracteriza porque se pierde en el péndulo cuando choca en su trayectoria contra la probeta.
Esta máquina tiene la particularidad de poseer un péndulo con una masa (m) la cual se dejara caer desde una altura inicial H para que golpee una probeta del material que queremos calcular su resiliencia total al igual que la tenacidad del mismo. La probeta debe
poseer una cuña (entalla) y el péndulo golpearla siempre por el lado contrario a la cuña. Es por ello que h será la altura final del péndulo. La temperatura normalizada para el ensayo es de 20ºC, esto se hace para qué la maleabilidad del material siempre sea la misma.
Es por ello que la energía gastada por el péndulo para romper la probeta se debe calcular por la diferencia entre la energía del péndulo de charpy antes de golpearla y la energía que queda en el péndulo después de golpear la probeta. (incremento de energía potencial), mientras más energía quede en el péndulo más resiliencia tendrá el material entonces se puede concluir que la resiliencia será esa energía absorbida por el impacto, la fórmula de esto es la siguiente:
- ΔEp = EH – Eh = m x g ( H-h)
- Estos símbolos se comprenden de la siguiente manera: m, la masa del péndulo, g la gravedad, H altura inicial del péndulo y h la altura final del péndulo.
Para entender mejor como se realizan los ensayos procederemos a realizar un ejercicio para entenderlo mejor. Supongamos que se somete a ensayo una probeta con una máquina charpy que tiene un péndulo de 20Kgf (kilogramos fuerza) y que lo dejamos caer desde una altura de 90cm. Tras romper la probeta alcanza una altura de 70cm. La probeta tiene una sección cuadrada de 10mm de lado con una entalla (hendidura) de 2mm (fíjate en la probeta de la imagen de abajo).
Se deberá calcular la resiliencia o energía absorbida por el impacto del péndulo de la siguiente manera:
- ΔEp = m x g ( H-h) = 20 x 9,8 (0,9m -0,7m) = 39,2 N x m (newtons por metro)= 39,2 Julios (energía)
Después de ver esto observemos cómo se puede calcular el módulo de resiliencia.
Modulo de Resiliencia
El módulo de resiliencia es la energía dividida por la superficie de la probeta rota, pero la superficie que tiene por el lado de la cuña, por lo cual la fórmula para calcular el módulo de resiliencia será la siguiente:
- Modulo de Resiliencia = Incremento de Energía Potencial/Sección de la Muestra por la entalla (cuña).
- Ur = ρ = ΔEp/S = m x g x (H-h)/S
- Estos símbolos significan que S es la sección de a probeta por la parte de la cuña. Normalmente el módulo de resiliencia se expresa en Kg/cm2 o unidades similares.
- En el ejercicio anterior tendríamos:
- S = 10 (10-2) = 8 mm2
- Si se procede a dividir la resiliencia por esta superficie ya lo tenemos:
- ρ = 39,2/8 =4,9 Julios/mm2, esta será la media real de la resiliencia.
De esta manera culminamos este interesante artículo sobre la resiliencia en los materiales, un importante atributo que debe poseer diferentes compuestos para poder funcionar y ser aplicados en sus respectivas áreas, si te interesó este articulo también podrás darle un vistazo a descubrir como funcionan los pararrayos o también descubrir que son los puertos de comunicación, gracias por leernos.