límite elástico: Conceptos básicos y ejemplos

Introducción

Siempre que pensamos en la resistencia de los materiales, ya sea el acero de un edificio, el aluminio de un avión o el cobre de un cable, lo primero que nos viene a la mente es el límite elástico. Es una de las propiedades mecánicas más importantes que tienen en cuenta los ingenieros a la hora de diseñar cualquier cosa que deba soportar cargas sin doblarse ni fallar. En términos sencillos, el límite elástico nos indica el punto en el que un material deja de deformarse elásticamente (vuelve a su forma inicial) y empieza a deformarse permanentemente. Esta propiedad garantiza que los puentes no se hundan, las alas de los aviones no se deformen y los equipos no se doblen bajo tensión.

Fundamentos del límite elástico

¿Qué es el límite elástico?

Ellímite elástico es la cantidad de tensión que puede resistir un material antes de empezar a deformarse permanentemente. Hasta ahora, el material se comporta elásticamente: volverá a su forma original cuando se retire la carga. Pero una vez superado el límite elástico, la deformación es plástica y el material no recuperará totalmente su forma aunque se retire la carga.

En la ciencia y la ingeniería de materiales, el límite elástico es un parámetro de diseño importante. Las estructuras y las piezas se diseñan para que estén muy por debajo de este valor y puedan utilizarse con fiabilidad y seguridad a largo plazo.

Límite elástico y resistencia a la tracción

Resulta tentador equiparar el límite elástico con la resistencia a la tracción, pero se emplean para describir dos fases diferentes del comportamiento de los materiales.

- El límite elástico es el inicio de la deformación plástica, el punto en el que el material empieza a cambiar de forma permanentemente.

- Por otro lado, la resistencia a la tracción es la tensión máxima que puede soportar un material al estirarse antes de fallar.

Por ejemplo, una muestra de acero puede empezar a ceder a 300 MPa pero fracturarse sólo a 600 MPa. Los ingenieros pueden hacer predicciones sobre cómo se comportarán los materiales cuando estén sometidos a diferentes cargas -elásticas, plásticas y, en última instancia, de rotura- si conocen ambas cifras.

Deformación elástica frente a deformación plástica

Para comprender mejor el límite elástico, es útil imaginar cómo se deforman los materiales. Por debajo de la región elástica, los átomos se desplazan temporalmente de su posición inicial, pero rebotan cuando se libera la carga: se estira una goma elástica. Más allá del límite elástico se encuentra la región plástica, donde los enlaces atómicos se reforman o las dislocaciones se mueven dentro de la estructura cristalina. Después de entrar en esta región, la deformación no puede revertirse: doblar un clip para que permanezca doblado.

Curva tensión-deformación y diagrama de límite elástico

La curva tensión-deformación es la representación más general del comportamiento de un material sometido a tracción. La curva comienza como una línea recta, que representa la deformación elástica. El módulo de elasticidad es el nombre que recibe la pendiente de esta línea. El punto de fluencia es el lugar donde comienza la desviación de la linealidad.

Para algunos materiales, este máximo es fácilmente reconocible. Para otros, los diseñadores utilizan un método de desplazamiento (generalmente una deformación del 0,2%) para establecer correctamente el límite elástico. Esta curva no sólo nos indica dónde se produce el límite elástico, sino que proporciona mucha información sobre la tenacidad, la ductilidad y la resistencia última.

Factores que afectan al límite elástico

Composición del material

La composición química de un material influye enormemente en su límite elástico. La inclusión de elementos reforzantes, por ejemplo, la adición de carbono al hierro para producir acero, o de titanio al aluminio, endurece significativamente el material. Los elementos introducidos sellan el movimiento de dislocación dentro de la estructura cristalina, haciendo que el material sea más difícil de deformar.

Temperatura

La temperatura también desempeña un papel importante. A medida que aumenta la temperatura, la energía se transfiere a los átomos y éstos pueden moverse libremente, lo que disminuirá el límite elástico del material. Por eso, los metales se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse. Para aplicaciones de alta temperatura, se emplean materiales de límite elástico constante, como las aleaciones de titanio.

Procesos de fabricación

Métodos de transformación como la forja, el laminado, el trabajo en frío y el tratamiento térmico pueden alterar sustancialmente la microestructura de un material. Por ejemplo, el trabajo en frío produce dislocaciones que contribuyen al límite elástico mediante el endurecimiento por deformación, mientras que el tratamiento térmico puede reducir el tamaño del grano y aumentar la uniformidad.

Medición del límite elástico

El límite elástico suele medirse mediante un ensayo de tracción. En este ensayo, se tira lentamente de una probeta y se registran tanto la tensión como la deformación. La curva de tensión-deformación resultante permite a los ingenieros determinar el límite elástico.

Se trata de una prueba estandarizada: las probetas se crean con tamaños exactos, se estiran a velocidades controladas y se visualizan con exactitud. Se trata de información crítica necesaria para calificar materiales para la construcción, la industria aeroespacial, la automoción y otras industrias relacionadas con la seguridad.

Aplicaciones del límite elástico

El límite elástico no es el resultado de un ensayo, sino un concepto de diseño en el mundo real.

-Construcción: El acero y el hormigón armado se fabrican para que permanezcan por debajo de su límite elástico con carga máxima, de modo que los edificios y puentes sean seguros y duraderos.

-Automoción: Los bastidores y componentes de los automóviles deben resistir vibraciones, golpes y tensiones repetidas sin sufrir deformaciones permanentes.

-Aeroespacial: Los materiales aeronáuticos, normalmente aleaciones de aluminio o titanio, deben mantener su resistencia a grandes altitudes y temperaturas.

- Electrónica: Incluso los componentes más pequeños, como conectores o muelles, dependen del límite elástico para mantener la forma y la presión de contacto a lo largo del tiempo.

Tabla comparativa de materiales comunes

Estos valores indican la gama de resistencias de los materiales típicos en ingeniería. El titanio presenta una elevada relación resistencia-peso, mientras que el acero goza de un equilibrio constante entre coste, resistencia y ductilidad.

Para más información sobre materiales y materiales técnicos, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusión

En general, el límite elástico es algo más que una pieza de matemáticas mecánicas: es una idea intrínseca que vincula la ciencia de los materiales y el diseño de ingeniería. Desde la formación de alas de avión hasta la construcción de rascacielos o la producción de microchips, saber cómo y cuándo ceden los materiales ayuda a que las innovaciones sigan siendo seguras y resistentes.

Preguntas más frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre límite elástico y resistencia a la tracción?

El límite elástico es el comienzo de la deformación permanente, mientras que la resistencia a la tracción es el límite de fractura por tensión.

¿Por qué es importante el límite elástico en ingeniería?

Porque garantiza que un componente pueda soportar las cargas aplicadas sin sufrir daños permanentes, algo fundamental para la seguridad y el rendimiento.

¿Cómo se define el límite elástico?

Mediante un ensayo de tracción, en el que se estira una probeta hasta el punto en que empieza a deformarse plásticamente y se registra la tensión asociada.

El límite elástico puede mejorarse.

Sí: el límite elástico se mejora mediante aleación, tratamiento térmico, trabajo en frío u otra alteración microestructural.

¿La temperatura influye en el límite elástico?

Sí. Las temperaturas más altas tienden a reducir el límite elástico, pero las temperaturas más bajas lo aumentan.