En esta ocasión vamos a realizar una descripción en cuanto a un punto que nos parece bastante importante en el área de la ingeniería moderna. El tema que nos ocupa y que desarrollaremos a lo largo de este artículo se denomina resilencia en los materiales, aquí veremos características y otros aspectos de este proceso.
Resilencia en los materiales
En relación a la resilencia en los materiales y para comenzar con este artículo, vamos a definir al lector primeramente de qué se trata la resilencia en la ingeniería. Y es que está referido a la propiedad de un determinado material que recobra la forma a su estado original, luego de pasar por un proceso de fuerza y doblaje, tomando en consideración el agotamiento de dicho material para medir la función de estiramiento o presión del mismo.
Tal característica es de vital importancia en cuanto a la determinación de utilización de materiales para diferentes aplicaciones en el campo de la ingeniería. En relación a otro punto y que debemos saber de igual forma es que dicho proceso deberá darse antes del comienzo del ámbito de deformación plástica.
Este proceso es definido como la deformación constante o inalterable del material, podría decirse que este es el punto justo que no se debe de violar dado que si ello ocurre el material no regresará a su forma inicial y así quedaría inutilizable de manera permanente.
Si quisiéramos poner un ejemplo sencillo de lo anterior, podemos nombrar como material conocido y de gran resilencia se trata precisamente de la goma plástica, la misma tiene la cualidad de deformarse bastante y regresar a su forma natural, ello sucede porque la deformación elástica está caracterizada por ser extrema y esto es cual el material no se daña o se deforma de manera permanente y puede regresar a la forma originaria.
El proceso de resilencia es medido durante la etapa de la deformidad elástica del material, esto se llama límite elástico del material y la máxima potencia que se aplica sin que produzca daños o deformación de forma permanente.
Por lo tanto, la cantidad de energía que recoge el materia momentos antes de su llegada al límite elástico es precisamente la resilencia, esto resulta de mucha utilidad en cuanto a materiales como resortes, bandas elásticas y otro tipo de material que se pueda deformar y recuperar la forma originaria.
Es por lo anterior que se se ve sometido un material con más potencia cada vez sobre si mismo y él mismo no llega a romperse ni pierde la forma, quiere decir que la resilencia aumentará a medida que la potencia sea cada vez mayor sobre el mismo.
Ahora bien, cuando se mantiene en reposo sin que se aplique la debida fuerza o potencia que se necesita para que siga deforme, la energía será liberada para que se regrese al estado o forma original. Cuando se trata de un material muy resilente regresará a la forma enérgica de su estado originario; como ejemplo de esto vemos una banda elástica cuando es estirada al máximo nivel la misma regresará de forma violenta a su estado natural.
Por lo tanto, esto prueba que la mayor resilencia se logrará cuando el material al que se le aplique la debida fuerza o temple y pueda romperse o deformarse de forma indestructible. Es entonces en este momento que se puede decir que la capacidad de memoria que posee un material para regresar a la forma original luego de la deformación fuerte que reciba por una potencia venida de manera exterior.
Según las practicas gráficas de un ensayo de resilencia de un material, Su resilencia va aumentando según aumentamos la fuerza sobre el material A partir del límite elástico ya sufre deformaciones permanentes, y por lo tanto, ya no hay resilencia, es por eso que los ingenieros tienen esto muy en cuenta a hora de colocar un material de alta resilencia en diversas aplicaciones.
¿Cómo se comportan los materiales con resilencia?
De igual forma se define como material de buena resistencia a la deformación irreversible o lo que es igual al proceso que sucede en una deformidad sufriendo de esta manera de forma significativa momentos antes de que se rompa o pierda la forma de forma definitiva, a diferencia un material que posee una resilencia baja es definido como un material delicado y que experimenta un deformación pequeña antes de que se fracture definitivamente.
Podemos decir que la goma elástica posee una elevada resilencia en cuanto a que tiene la posibilidad de deformarse de forma extrema y así el vidrio en contrario tiene una resilencia como es sabido muy baja de acuerdo a que se trata de un material muy duro.
La definición verdadera de acuerdo a la ciencia de los materiales, la podemos definir de la forma siguiente:
La resilencia es definida como el volumen que presenta un material con la finalidad de recoger energía elástica en el momento de deformidad de manera extrema y de entregarla en el caso de aplicar la carga, regresando a la forma originaria. Como podemos ver el significado es más o menos igual que el concepto que se aplica a las bandas elásticas.
La propiedad que se asocia a dicho concepto es denominado módulo de resilencia, Ur, el mismo puede ser usado en una medición verdadera de la resilencia de cualquier tipo de material, tal medida cobra importancia tal en la construcción de una cantidad de objetos en el mundo, de acuerdo a que se trata de un concepto básico de la ingeniería.
Otra definición asociada a este tema y que debemos de tener claro es que el módulo de resilencia se trata de la energía de la deformación por la unidad de peso que es requerida para el proceso de deformidad en un material hasta alcanzar el límite elástico, por tal situación cuando un material es probado para una determinada aplicación tales medidas estarán presentes como garantía de que dicho material podrá soportar altas tensiones.
La resilencia por unidad de peso pasa a ser un factor importante cuando se hacen ensayos con dichos materiales. Tales aplicaciones son medidas en Julios por unidad de volumen. Estas medidas las estudiaremos un poco más adelante y que pasan a ser parte integrante del módulo de resilencia que se tendrán en cuenta para tales aplicaciones.
Ahora bien, para realizar la prueba y el parámetro de la resilencia de cualquier material se deberá hacer a través de ensayos por el método Izod o el péndulo de Charpy, todo lo cual resultará un valor indicativo en cuanto a la delicadeza o fuerza a los choques del materia que se está ensayando. Posteriormente observaremos como se logran realizar tales ensayos para comparar diferentes tipos de materiales.
Medición de la resilencia de un material
En cuanto a lo rígido de la ingeniería, en cuanto a los materiales que están sometidos a golpes o variaciones de tipo brusco de carga de energía cinética, las mismas pueden presentarse por motivos distintos, tal problema se puede producir generalmente porque el material que está recibiendo la energía no permite ningún tipo de deformación plástica o delicadeza. Ello se va a producir aún en metales blandos, y éstos son bastante flexibles.
En estos casos suele ser conveniente que se analice el comportamiento de dicho material en procesos de choque o golpes con la finalidad de tener una idea aproximada de que cantidad soporta de energía antes del proceso de resilencia o irreversibilidad.
Con el fin de que esto sea posible se realizarán de igual forma los llamados ensayos de choque por medio de éstos se puede llegar a determinar, lo frágil o el volumen del material para recoger cargas de forma instantáneas, a través del trabajo necesario con la intención de introducir la fractura del ensayo en un solo choque.
El mismo está referido a la unidad de área, con la intención de lograr la denominada resilencia que suelen solicitar la mayoría de los ingenieros a la hora que tengamos que hacer la prueba de los materiales de que contarán para las debidas aplicaciones.
Ahora bien, se puede afirmar que de acuerdo a éste término no se logra la propiedad definida del material, sino que se logra es el denominado índice comparativo de su plasticidad, todo ello en estricta relación a lo que se obtiene con otros ensayos efectuados en iguales condiciones, por lo tanto se deben tener en cuenta los distintos factores que tienen influencia sobre la misma para que se esté seguro de que tal material contienen una resilencia en la que se puede tener confianza.
Es igualmente importante destacar que la resilencia difiere de la tenacidad en cuanto a que la última calcula la cantidad de energía que es recogida por unidad de superficie de rotura bajo el proceso de trabajo consecuente y no debido a un impacto de golpe, por lo que se puede observar una diferencia realmente marcada entre un impacto y la aplicación de la fuerza encaminada.
De igual forma se puede afirmar que la tenacidad está ligado a lo que conocemos como el área bajo la curva de un ensayo entre lo que se conoce como deformación nula y deformación que corresponde a la limitación de la rotura.
En cambio la resilencia se trata de la capacidad de recogimiento de energía en el proceso elástico y pertenece al área bajo la curva del ensayo comprendido entre la deformación nula y el límite de fluencia, esto hace una enorme diferenciación.
Para la correcta medición de la resilencia de un material se tomará en consideración el ensayo por el método Izod o el Péndulo de Charpy que mencionamos en párrafos anteriores. Por medio de éste se logrará dar un resultado final que indica un valor en cuanto a la fragilidad o resilencia a los golpes del material bajo ensayo teniendo la información precisa de cuánto logran resistir ante la fractura.
Podemos ilustrar al lector con un ejemplo específico de cómo funciona la resilencia en un metal de un grado elevado de ésta, ello es peculiarmente visto en los aceros austeníticos que se refieren a los aceros que poseen elevado contenido de austenita, todo lo cual quiere decir que son flexibles.
En cuanto a los aceros al carbono, los aceros suaves que poseen un contenido de carbono más bajo, constan de una resilencia mayor que los aceros duros con alto contenido de carbono.
Unidad de medida
La unidad de media de la resilencia es determinada en Julios por metro cuadrado: J/m2, todo esto de acuerdo al Sistema Internacional de Unidades. Otra unidad que se utiliza mucho en Ingeniería es kgf·m/cm2; o kilopondio metro por centímetro cuadrado: kp·m/cm2, ésta medida es de mucha utilidad en diferentes tipo de materiales.
¿Para qué sirve la resilencia?
Para que el lector pueda tener un conocimiento más claro en cuanto a la utilidad de dicha resilencia en torno a los materiales, se debe imaginar el parachoques de un vehículo. Si quisiéramos saber cuánto puede aguantar en un choque con otro vehículo o una barrera que no se rompa y cause un daño de cierta magnitud al vehículo. Aquí vemos un claro ejemplo sobre para qué sirve la resilencia y la aplicación de ésta en varios casos.
Otro de los usos donde es aplicada la resilencia es en materiales como colchones, podemos explicar mejor esto de modo que el lector lo entienda lo más claro posible, cuando no existe mucha resilencia en los colchones no podrá funcionar correctamente ya que no podrá recobrar su forma originaria.
Un colchón tiene que tener una resilencia alta para que se deforme cuando las personas están acostadas sobre el mismo, ya que de forma contraria quedaría su forma totalmente en mal estado cuando las mismas decidan levantarse, como todos sabemos los colchones de calidad tienden a mantener su forma durante años y años.
En la ingeniería, como sabemos se efectúan constantemente ensayos de resilencia, que vamos a ver a continuación; esto se hace para hacer el cálculo de la facilidad de los materiales de deformarse o no, estos materiales son plásticas, madera, entre otros. Por ello tal propiedad resulta de mucha importancia en cuanto al área de construcción de diferentes materiales y en la aplicación de muchos de ellos.
Diferencia entre tenacidad y resilencia
Resulta muy importante el tener conocimiento de las diferencias de ambos términos ya que son muy parecidos y podría conducir a errores, por tal motivo si no los conocemos de forma correcta puede acarrear fallas en cuanto a los materiales que se elaboran y los ensayos o experimentos resultarían errados.
Es por ello y deberá tenerse muy presente que la tenacidad se trata de la cantidad de energía que se recoge por el material en el mismo momento en que el mismo se rompe, por tal motivo antes de que ello ocurra dicho material puede ser deformado de manera absoluta. La resilencia determina la energía que está guardad durante el proceso de deformación elástica.
Un material podrá superar el límite de resilencia y continuar en deformación, ahora de manera absoluta y sin romperse. De una vez que llega a la rotura adquiere su tenacidad, por tal motivo ha de diferenciarse bien.
Generalmente un material tenaz se trata del que tiene que dársele mucha potencia para poder romperlo, quiere decir que el mismo posee mucha resilencia, y se colocarán ambos conceptos muy bien especificados, y a continuación lo hacemos de la forma siguiente:
Tenacidad: Esta suele ser una medida de la práctica de un material para recoger energía sin que haya fractura en el material, ésta puede superar su resilencia.
Resilencia: Se refiere a la propiedad que calcula la habilidad de un material para la absorción de energía sin que haya deformación plástica o permanente, por lo cual a mayor resilencia de un material el mismo tendrá más elasticidad y flexibilidad.
Ensayo de Resilencia
En cuanto a dichos ensayos de resilencia de un determinado material los mismos consisten en romper una vasija de muestra de dicho material, dándole golpes con un péndulo. Por tanto son catalogados como ensayos destructivos y podemos nombrar los dos más conocidos como son el de Charpy e Izod.
Ensayo de resilencia Charpy
Este pasa a ser un ensayo bastante conocido en el área de ingeniería el mismo se base en un máquina o un péndulo denominado Charpy, el mismo se encarga de la toma de medida de la energía que es consumida en la rotura de una vasija de prueba por medio de un golpe sobre ésta, tal energía está caracterizada porque se pierde en el péndulo en el momento que choca con su trayectoria en contraposición a la vasija o probeta.
Dicha máquina posee la peculiaridad de tener un péndulo con una masa la misma se deja caer a partir de una altura de inicio con el fin de que golpee una vasija o probeta del material específico que vamos a calcular su resilencia de forma total, al igual que la tenacidad de dicho material. Esta probeta deberá tener una palanca y dicho péndulo golpeará el lado opuesto en todo momento a la palanca.
Por tal motivo la h será la altura de forma culminante del péndulo. La temperatura de forma normal requerida para dicho ensayo será de 20ºC, esto con la finalidad de que la flexibilidad del material a emplear en todo momento sea la misma.
Es por esto que la energía que se gasta por medio del péndulo con el fin de romper la vasija o la probeta se calculará en cuanto a la divergencia entre la energía del péndulo de Charpy momentos previos al golpe y la energía que se resguarda dentro del péndulo luego del golpe a la vasija.
A mayor energía que está almacenada en el péndulo más resilencia contendrá el material de acuerdo a esto se puede pensar que la resilencia se trata de la energía que es recogida a través del impacto o golpe, la fórmula de lo antes expuesto podemos descifrarla así:
ΔEp = EH – Eh = m x g ( H-h)
Con la finalidad de ilustrar al lector sobre la simbología antes mencionada, podemos mencionar que los mismos tratan de la siguiente forma: m se trata de la masa del péndulo, g quiere decir la gravedad, H la altura inicial del péndulo y h la altura final del péndulo. Igualmente para mayor claridad y entendimiento de los ensayos vamos a describir un ejemplo o ejercicio con el fin de que el lector esté lo más claro en ello.
Pensemos que se coloca bajo un experimento una vasija o probeta con una máquina ya mencionada de Charpy que posee un péndulo de 20Kgf (kilogramos fuerza) y si se deja que caiga desde una altura de 90 cm, al romper la vasija o probeta alcanzará una altura de 70cm.
Dicha probeta tiene una sección de característica cuadrada de 10mm de lado con una hendidura de 2mm. En cuanto a esto y para calcular la resilencia en los materiales o la energía que se recoge debido al golpe del péndulo debemos hacerlo de la forma siguiente:
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). Posterior a esto veamos como es posible hacer el cálculo del módulo de la resilencia.
Modulo de Resilencia en los materiales
En cuanto a este módulo de resilencia podemos decir que se trata de la propia energía clasificada por la parte superior de la vasija o probeta rota, sin embargo la parte superior que presenta por el lado de la palanca, por esto la fórmula que se utiliza para el cálculo del módulo de resilencia podemos descifrarlo así:
Modulo de Resilencia = Incremento de Energía Potencial/Sección de la Muestra por la palanca.
Ur = ρ = ΔEp/S = m x g x (H-h)/S
Dicha simbología significa que S es la sección de la vasija o probeta por la parte de la palanca. Generalmente el módulo de la resilencia se podrá expresar de la forma siguiente en Kg/cm2 o unidades parecidas.
Si tomamos en cuenta el ejercicio antes determinado, podríamos tener la siguiente fórmula:
S = 10 (10-2) = 8 mm2
Si procedemos a dividir la resilencia en cuanto a esta superficie tendríamos lo siguiente:
ρ = 39,2/8 =4,9 Julios/mm2, esta será la media real de la resilencia.
Conclusión
Como verá el lector existen muchos materiales que son utilizados en el área de ingeniería como gomas, plásticos entre otros, y cada uno tiene su propio margen de resilencia propio, a algunos les cuesta más el proceso que a otros.
En cuanto a esto y con tal fin se crean los ensayos conocidos como Charpy e Izot, que ya explicamos a lo largo del artículo en referencia y que presenta una serie de fórmulas al realizar los debidos procesos de cada uno.
Esperamos que este artículo haya sido de agrado y de conocimientos al lector en relación al tema que se trata en el mismo y que pueda servir de ayuda en cuanto a cualquier duda que se presente en cuanto a este tema de resilencia en los materiales, que consideramos de bastante interés.
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