La tensión técnica y la carga técnica son dos conceptos fundamentales en el mundo de la tecnología y la ingeniería. Estas dos expresiones, aunque a menudo se usen de manera intercambiable, tienen significados distintos y juegan un papel crucial en el desarrollo y la eficiencia de los proyectos tecnológicos. En este artículo, exploraremos en qué consisten ambas y cómo impactan en el ámbito laboral y profesional de los expertos en estas áreas. Sin duda alguna, comprender la tensión técnica y la carga técnica puede marcar la diferencia entre el éxito y el fracaso en el mundo de la tecnología. ¡Acompáñanos en este viaje y descubre cómo gestionar estos aspectos clave en tu carrera!
En una máquina, cada componente está expuesto a diferentes fuerzas. Debido a estas fuerzas que actúan sobre los componentes de la máquina, se inducen diversos tipos de tensiones. Una tensión simple se define como la fuerza de resistencia interna que contrarresta la fuerza externa por unidad de área. El alargamiento se define como la deformación por unidad de longitud. Comprendamos la carga técnica y la carga técnica con más detalle.
Al diseñar elementos de la máquina, debemos considerar la carga técnica y la carga técnica.
Estrés técnico
Consideremos una varilla cilíndrica de longitud l0 y área de sección transversal A0 sometido a una fuerza de tracción uniaxial F, como se muestra en la siguiente figura.
(b) La barra está sometida a una fuerza de tracción uniaxial F
Por definición, la tensión de ingeniería σ sobre la barra es igual a la fuerza de tracción uniaxial promedio F sobre la barra dividida por el área de la sección transversal original A.0 El oso.
Dado que F es normal (perpendicular) a la superficie, esta tensión también se denomina tensión normal. Por lo tanto,
La tensión técnica σ es la fuerza de tracción uniaxial promedio basada en el área de la sección transversal original.
σ = F/A0
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Las unidades del SI para la tensión de ingeniería son Newtons por metro cuadrado (N/m).2) o Pascal (Pa),
Sabemos 1 N/m2 = 1pa
Las unidades imperiales para tensiones de ingeniería son libras fuerza por pulgada cuadrada (lb).F /En.2o psi)
sabemos librasF significa libra de fuerza
Los factores de conversión de psi a pascales son
1 psi = 6,89 × 103 Pa
106 Pa = 1 megapascales = 1 MPa
1000 psi = 1 ksi = 6,89 MPa
Resolvamos un problema de ejemplo para determinar la tensión de ingeniería de una varilla de aluminio.
Tarea de muestra para calcular el estrés técnico.
Una masa de 2500 kg cuelga de una varilla con un diámetro de 1,25 cm. Calcule la carga de ingeniería normal sobre la barra en megapascales (MPa).
Respuesta:
La carga sobre la barra se calcula en base a la gravedad de la masa de 2500 kg.
En unidades SI, la fuerza sobre la varilla es igual a la masa de la carga multiplicada por la aceleración de la gravedad g = 9,81 m/s2
F = mg = (2500 kg)(9,81 m/s2) = 24.500 naira
El diámetro d de la varilla = 1,25 cm = 0,0125 m.
La tensión técnica σ es la fuerza de tracción uniaxial promedio basada en el área de la sección transversal original.
σ = F/A0
s = 24.500 / (π/4)(0,0125)2
s = 2 × 10octavo Nuevo Méjico2
s = 200 × 106 Pensilvania
s = 200 MPa
Esto le permite calcular la tensión técnica para cada componente de la máquina.
Carga técnica
Consideremos una varilla cilíndrica de longitud l0 y área de sección transversal A0 sometido a una fuerza de tracción uniaxial F, como se muestra en la siguiente figura.
(b) La barra está sometida a una fuerza de tracción uniaxial F
Cuando se aplica una fuerza de tracción uniaxial a una barra, como se muestra en la figura anterior, hace que la barra se alargue en la dirección de la fuerza, o perpendicular a la sección transversal.
Tal desplazamiento a lo largo de toda la longitud de la barra se llama deformación normal de ingeniería.
Por definición, la deformación de ingeniería causada por la acción de una fuerza de tracción uniaxial sobre una muestra de metal es la relación del cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza dividido por la longitud original de la muestra bajo consideración.
Por lo tanto, la deformación normal de ingeniería para la varilla de metal es el cambio en la longitud de la muestra (Δl) por la longitud original de la muestra (l).0)
Deformación técnica ϵ (deformación normal) = (l − l0) /l0
Dónde
yo0 = longitud original de la muestra
l = nueva longitud de la muestra después del estiramiento mediante una fuerza de tracción uniaxial.
En la mayoría de los casos, el alargamiento de ingeniería se determina utilizando una longitud pequeña, generalmente de 2 pulgadas, llamada longitud de calibre, dentro de una muestra mucho más larga, como 8 pulgadas.
Las unidades SI para el alargamiento técnico ϵ son metros por metro (m/m)
Las unidades británicas para el alargamiento técnico ϵ son pulgadas por pulgada (pulgada/pulgada).
Por tanto, la expansión de ingeniería tiene unidades adimensionales. En la práctica industrial es una práctica común convertir el alargamiento técnico en alargamiento porcentual.
% estiramiento técnico = estiramiento técnico × 100%
Resolvamos un problema de ejemplo para determinar el alargamiento técnico de una varilla de aluminio.
Tarea de muestra para calcular la tensión técnica.
Una muestra de aluminio comercialmente puro de 0,500 pulgadas de ancho, 0,040 pulgadas de espesor y 8 pulgadas de largo, que tiene marcas de medición espaciadas 2,00 pulgadas en el centro de la muestra, se tensa de modo que las marcas de medición en la figura, separadas por 2,65 pulgadas, queden separadas por 2,65 pulgadas. mostrado a continuación. Calcule la deformación de ingeniería normal y el porcentaje de deformación de ingeniería experimentada por la muestra.
Respuesta:
Strian técnico ϵ = (l − l0) /l0
ϵ = (2,65 pulgadas – 2,00 pulgadas) / 2,00 pulgadas
ϵ = 0,65 pulgadas / 2,00 pulgadas
ϵ = 0,325
% de alargamiento = 0,325 × 100%
% alargamiento = 32,5%
el coeficiente de Poisson
Una deformación longitudinal elástica del metal conduce a un cambio dimensional lateral asociado. Como se muestra en la figura siguiente, una tensión de tracción es σp.ej produce una deformación de tracción normal +ϵp.ej y tensiones de compresión normales laterales de −ϵX y −ϵj.
Para comportamiento isotrópico (que tiene propiedades con los mismos valores cuando se miden a lo largo de los ejes en todas las direcciones) ϵX y ϵj son iguales. La relación entre el alargamiento en la dirección transversal y la dirección longitudinal se denomina relación de Poisson.
El ratio de Poisson está representado por “v“
v = − ϵ (lateral) /ϵ (longitudinal)
v = -ϵX/ ϵp.ej
v = – ϵj / ϵp.ej
Para materiales ideales, la relación de Poisson es v = 0,5. Sin embargo, para materiales reales, el índice de Poisson suele estar entre 0,25 y 0,4, con un promedio de alrededor de 0,3.
La siguiente tabla enumera los valores del módulo de Young, el módulo de corte y la relación de Poisson (v) para algunos de los metales y aleaciones isotrópicos.
| material | módulo de elasticidad 106 psi (GPa) |
Módulo de corte 106 psi (GPa) |
el coeficiente de Poisson |
| aleaciones de aluminio | 10,5 (72,4) | 4,0 (27,5) | 0,31 |
| cobre | 16,0 (110) | 6,0 (41,4) | 0,33 |
| Acero (carbono simple y baja aleación) | 29,0 (200) | 11,0 (75,8) | 0,33 |
| Acero inoxidable (18-8) | 28,0 (193) | 9,5 (65,6) | 0,28 |
| titanio | 17.0 (117) | 6,5 (44,8) | 0,31 |
| tungsteno | 58,0 (400) | 22,8 (157) | 0,27 |
(Los materiales isotrópicos tienen propiedades con valores iguales cuando se miden a lo largo de ejes en todas las direcciones).
Esfuerzo cortante y deformación cortante
Hasta ahora hemos analizado la deformación elástica y plástica de metales y aleaciones bajo esfuerzos de tracción uniaxiales que resultan en esfuerzos y deformaciones normales. Otro método importante mediante el cual se puede deformar un metal es mediante la acción de Esfuerzo cortante. El efecto de un par simple de esfuerzos cortantes (los esfuerzos cortantes actúan en pares) sobre un cuerpo cúbico se muestra en la siguiente figura, donde una fuerza cortante S actúa sobre un área A.
Esfuerzo cortante (τ) = fuerza cortante (S) / área sobre la que actúa la fuerza cortante (A)
Las unidades del SI para la tensión cortante son las mismas que para la tensión de tracción normal uniaxial, es decir, Newtons por metro cuadrado (N/m).2) o Pascal (Pa).
Asimismo, las unidades británicas para el esfuerzo cortante son libras fuerza por pulgada cuadrada (lb).F /pulg.2 o psi)
El Deformación por corte γ se define como la cantidad de desplazamiento de corte «A» en la figura de arriba dividido por la distancia «h”sobre el cual actúa el cortante, o
γ = a/h = tan θ
En corte puramente elástico, la proporcionalidad entre corte y tensión es
τ = Gγ
donde G es el módulo de elasticidad.
Podemos generalizar que las tensiones y deformaciones normales provocan cambios en la longitud y el volumen del metal, mientras que las tensiones y deformaciones cortantes provocan cambios en la forma del metal.
Verdadero estrés y verdadera carga
La tensión de ingeniería se calcula dividiendo la fuerza F aplicada a una muestra de tracción por su área de sección transversal original A.0. Dado que el área de la sección transversal de la probeta cambia continuamente cuando se realiza un ensayo de tracción, la tensión técnica calculada no se corresponde exactamente con la tensión real inducida por la tensión de tracción.
Durante las pruebas de tracción, los materiales dúctiles hacen que la muestra se contraiga. Después de que se estrecha la muestra, la tensión de ingeniería disminuye al aumentar la deformación, lo que resulta en una tensión de ingeniería máxima en la curva tensión-deformación de ingeniería. Esta constricción se muestra a continuación.
Tan pronto como se produce un estrechamiento durante la prueba de tracción, la tensión real es mayor que la tensión técnica. Definimos la tensión verdadera y la carga verdadera de la siguiente manera:
Voltaje verdadero σt = Fuerza uniaxial promedio sobre la muestra de prueba)/Área de sección transversal mínima instantánea de la muestra
σt = Preguntas/RespuestasI
Dónde yo0 es la longitud de medición original de la muestra y yoI es la longitud de medición extendida actual durante la prueba.
Si asumimos un volumen constante de la sección de medición de la muestra de prueba durante la prueba, entonces
yo0A0 = yoI AI
yoI/l0 = A0/ AI
ϵt = en (lI/l0)= en (un0/ AI)
La siguiente curva tensión-deformación compara la relación tensión-deformación de ingeniería y la relación tensión-deformación real para acero con bajo contenido de carbono.
Los diseños de ingeniería no se basan en la tensión de rotura real porque el material comienza a deformarse una vez que se excede el límite elástico. Los ingenieros utilizan el límite elástico de ingeniería con compensación del 0,2% para diseños estructurales con los factores de seguridad correctos. Sin embargo, a veces se requieren las verdaderas curvas tensión-deformación con fines de investigación.
Diploma
Hemos discutido en detalle qué son el estrés técnico y la carga técnica. Otros temas relacionados bajo estrés incluyen los siguientes
- Explicación detallada de la curva tensión-deformación.
- Esfuerzos principales y planos principales.
- Esfuerzo torsional
- carga de estrés
- Esfuerzo de flexión
- Esfuerzo cortante
- Concentración de estrés
- Métodos para reducir la concentración de estrés.
Háganos saber lo que piensa sobre este artículo en la sección de comentarios a continuación.
Ingeniería del Estrés y de la Deformación: Una Guía Completa
En una máquina, cada componente está sujeto a diversas fuerzas. Debido a estas fuerzas que actúan sobre los elementos de la máquina, se inducen varios tipos de estrés. Donde un estrés simple se define como la fuerza de resistencia interna que se opone a la fuerza externa por unidad de área. Donde la deformación se define como la deformación por unidad de longitud. Aprendamos en más detalle sobre el Estrés de Ingeniería y la Deformación de Ingeniería.
Estrés de Ingeniería
Consideremos una barra cilíndrica de longitud l0 y área de sección transversal A0 que está sometida a una fuerza uniaxial de tensión F, como se muestra en la figura siguiente.
(a) Barra sin fuerza (b) Barra sometida a una fuerza uniaxial de tensión F
Por definición, el estrés de ingeniería σ en la barra es igual al promedio de la fuerza uniaxial de tensión F en la barra dividido por el área de sección transversal original A0 de la barra.
Debido a que F es normal (perpendicular) al área, este estrés también se llama estrés normal. Por lo tanto, el estrés de ingeniería σ será la fuerza uniaxial de tensión promedio de la barra dividida por el área de sección transversal original.
σ = F / A0
Las unidades del SI para el estrés de ingeniería son newtons por metro cuadrado (N/m2) o pascales (Pa).
Sabemos que 1 N/m2 = 1 Pa.
Las unidades imperiales para el estrés de ingeniería son libras-fuerza por pulgada cuadrada (lbf /in.2, o psi).
Sabemos que lbf significa libra-fuerza.
Los factores de conversión para psi a pascales son 1 psi = 6.89 × 103 Pa, 106 Pa = 1 megapascal = 1 MPa, 1000 psi = 1 ksi = 6.89 MPa.
Resolvamos un problema de ejemplo para calcular el estrés de ingeniería de una barra de aluminio.
Problema de ejemplo para calcular el estrés de ingeniería
Una masa de 2500 kg cuelga de una barra de diámetro de 1.25 cm. Calcule el estrés de ingeniería normal en la barra en megapascales (MPa).
Respuesta:
La carga en la barra se calcula en base a la fuerza de la gravedad de la masa de 2500 kg.
En unidades del SI, la fuerza en la barra es igual a la masa de la carga multiplicada por la aceleración de la gravedad g = 9.81 m/s2.
F = mg = (2500 kg)(9.81 m/s2) = 24,500 N
El diámetro d de la barra = 1.25 cm = 0.0125 m.
El estrés de ingeniería σ será la fuerza uniaxial de tensión promedio de la barra dividida por el área de sección transversal original.
σ = F / A0
σ = 24,500 / (π/4)(0.0125)2
σ = 2 × 108 N/m2
σ = 200 × 106 Pa
σ = 200MPa
Así es cómo puedes calcular el estrés de ingeniería para cualquier componente de máquina.
Deformación de Ingeniería
Consideremos una barra cilíndrica de longitud l0 y área de sección transversal A0 que está sometida a una fuerza uniaxial de tensión F, como se muestra en la figura siguiente.
(a) Barra sin fuerza (b) Barra sometida a una fuerza uniaxial de tensión F
Cuando se aplica una fuerza uniaxial de tensión a una barra, como se muestra en la figura anterior, esto hace que la barra se alargue en la dirección de la fuerza o en perpendicular a la sección transversal.
Un desplazamiento de este tipo a lo largo de toda la longitud de la barra se llama deformación de ingeniería normal.
Por definición, la deformación de ingeniería, que es causada por la acción de una fuerza uniaxial de tensión sobre una muestra metálica, es la relación entre el cambio en la longitud de la muestra en la dirección de la fuerza dividido por la longitud original de la muestra considerada.
Por lo tanto, la deformación de ingeniería normal para la barra metálica será el cambio en la longitud de la muestra (Δl) dividido por la longitud original de la muestra (l0).
Deformación de ingeniería ϵ (deformación normal) = (l − l0) / l0
donde l0 = longitud original de la muestra, l = nueva longitud de la muestra después de haber sido extendida por una fuerza uniaxial de tensión.
En la mayoría de los casos, la deformación de ingeniería se determina utilizando una longitud pequeña, generalmente 2 pulgadas, llamada longitud de calibre, dentro de una muestra mucho más larga, por ejemplo, 8 pulgadas.
Las unidades del SI para la deformación de ingeniería ϵ son metros por metro (m/m).
Las unidades imperiales para la deformación de ingeniería ϵ son pulgadas por pulgada (in./in.).
Por lo tanto, la deformación de ingeniería tiene unidades adimensionales. En la práctica industrial, es común convertir la deformación de ingeniería en deformación porcentual.
% deformación de ingeniería = deformación de ingeniería × 100%
Resolvamos un problema de ejemplo para calcular la deformación de ingeniería de una barra de aluminio.
Problema de ejemplo para calcular la deformación de ingeniería
Una muestra de aluminio puro comercial de 0.500 pulgadas de ancho, 0.040 pulgadas de grosor y 8 pulgadas de largo que tiene marcas de calibre separadas 2.00 pulgadas en el medio de la muestra se deforma de manera que las marcas de calibre están separadas 2.65 pulgadas, como se muestra en la figura siguiente. Calcula la deformación de ingeniería normal y la deformación de ingeniería en porcentaje que experimenta la muestra.
Muestra de tensión plana antes y después de la prueba
Respuesta:
Deformación de ingeniería ϵ = (l − l0) / l0
ϵ = (2.65 pulgadas − 2.00 pulgadas) / 2.00 pulgadas
ϵ = 0.65 pulgadas / 2.00 pulgadas
ϵ = 0.325
Elongación en % = 0.325 × 100%
Elongación en % = 32.5%
Relación de Poisson
Una deformación elástica longitudinal del metal produce un cambio dimensional lateral acompañante. Como se muestra en la figura siguiente, un esfuerzo de tensión σz produce una deformación normal de tensión +ϵz y deformaciones normales de compresión laterales de -ϵx y -ϵy.
Cuerpo cúbico sometido a esfuerzo de tensión
Para un comportamiento isotrópico (que exhibe propiedades con los mismos valores cuando se mide a lo largo de los ejes en todas las direcciones), ϵx y ϵy son iguales. La relación de la deformación en la dirección lateral a la dirección longitudinal se llama relación de Poisson.
La relación de Poisson se representa con «v».
v = -ϵ (lateral) /ϵ (longitudinal)
v = -ϵx/ ϵz
v = – ϵy / ϵz
Para materiales ideales, la relación de Poisson v = 0.5. Sin embargo, para materiales reales, la relación de Poisson típicamente varía de 0.25 a 0.4, con un promedio de aproximadamente 0.3.
La siguiente tabla lista los valores del módulo de elasticidad, módulo de corte y relación de Poisson (v) para algunos de los metales y aleaciones isotrópicas.
- Material
- Módulo de Elasticidad (106 psi)
- Módulo de Corte (106 psi)
- Relación de Poisson
- Aluminio aleaciones
- 10.5 (72.4) psi
- 4.0 (27.5) psi
- 0.31
- Cobre
- 16.0 (110) psi
- 6.0 (41.4) psi
- 0.33
- Acero (carbono puro y baja aleación)
- 29.0 (200) psi
- 11.0 (75.8) psi
- 0.33
- Acero inoxidable (18-8)
- 28.0 (193) psi
- 9.5 (65.6) psi
- 0.28
- Titanio
- 17.0 (117) psi
- 6.5 (44.8) psi
- 0.31
- Tungsteno
- 58.0 (400) psi
- 22.8 (157) psi
- 0.27
- Valores típicos de constantes elásticas a temperatura ambiente para materiales isotrópicos. (Los materiales isotrópicos exhiben propiedades con los mismos valores cuando se miden a lo largo de ejes en todas las direcciones).
Estrés y Deformación de Corte
Hasta ahora, hemos discutido la deformación elástica y plástica de metales y aleaciones bajo esfuerzos de tensión uniaxiales que producen esfuerzos y deformaciones normales. Otro método importante por el cual un metal se puede deformar es bajo la acción de esfuerzo de corte. La acción de un par de esfuerzos de corte simple (los esfuerzos cortantes actúan en pares) sobre un cuerpo cúbico se muestra en la figura siguiente, donde una fuerza de corte S actúa sobre un área A.
Cuerpo cúbico sometido a esfuerzo de corte puro
Es posible generalizar que los esfuerzos y deformaciones normales resultan en cambios en la longitud y el volumen del metal, mientras que los esfuerzos y deformaciones cortantes resultan en cambios en la forma del metal.
Estrés y Deformación Verdaderos
El estrés de ingeniería se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre una muestra de prueba de tensión por su área de sección transversal original A0. Dado que el área de sección transversal de la muestra de prueba cambia continuamente si realizamos una prueba de tensión, el estrés de ingeniería calculado no es preciso como el verdadero estrés inducido en el esfuerzo de tensión.
Durante la prueba de tensión, se produce el estrechamiento de la muestra para materiales dúctiles. Después de que ocurre el estrechamiento de la muestra, el estrés de ingeniería disminuye a medida que la deformación aumenta, lo que conduce al máximo estrés de ingeniería en la curva de estrés-deformación de ingeniería. Este estrechamiento se representa a continuación.
Formación de estrechamiento
Por lo tanto, una vez que comienza el estrechamiento durante la prueba de tensión, el verdadero estrés es superior al estrés de ingeniería. Definimos el verdadero estrés y la verdadera deformación de la siguiente manera:
Estrés verdadero σt = Fuerza uniaxial promedio en la muestra de prueba) / Área transversal mínima instantánea de la muestra
σt = F / Ai
donde l0 es la longitud de calibre original de la muestra y li es la longitud de calibre extendida instantáneamente durante la prueba.
Si asumimos el volumen constante de la sección de longitud de calibre de la muestra de prueba durante la prueba, entonces
l0A0 = li Ai
li/ l0 = A0/ Ai
ϵt = ln (li/ l0)= ln (A0/ Ai)
A continuación, se muestra la curva de estrés-deformación verdadera para acero bajo en carbono, comparada con la curva de estrés-deformación de ingeniería.
Comparación de la curva de estrés-verdadera deformación con el diagrama de estrés-deformación de ingeniería para acero bajo en carbono.
Los diseños de ingeniería no se basan en el estrés verdadero en la fractura, ya que tan pronto como se supera el límite elástico, el material comienza a deformarse. En su lugar, los ingenieros utilizan el límite elástico de ingeniería con 0.2% de offset para diseños estructurales con los factores de seguridad adecuados. Sin embargo, para la investigación, a veces se necesitan las curvas de estrés-deformación verdaderas.
Conclusión
Hemos discutido qué es el estrés de ingeniería y la deformación de ingeniería de una manera detallada. Otros temas relacionados bajo la tensión-deformación son los siguientes:
- Curva de estrés-deformación explicada en detalle
- Esfuerzos Principales y Planos Principales
- Estrés de Torsión
- Esfuerzo de Apoyo
- Estrés de Flexión
- Esfuerzo Cortante
- Concentración de esfuerzos
- Métodos para Reducir la Concentración de Esfuerzos
Háganos saber qué piensa sobre este artículo en la sección de comentarios a continuación.