¿Qué es la deformación plástica? - Entendiendo la deformación plástica y cómo afecta a los materiales
Cuando interactuamos con objetos en nuestra vida cotidiana, no solemos recapacitar en los intrincados procesos que subyacen bajo su superficie. Uno de estos fenómenos es la deformación plástica, un concepto crucial en el ámbito de la ciencia y la ingeniería de materiales.
En esta publicación exploramos qué es la deformación plástica, repasando su significado, métodos de cálculo, causas, tipos y otras informaciones de interés.
¿Para qué sirve la deformación plástica?
La deformación plástica, es un fenómeno que se produce cuando un material experimenta un cambio permanente de forma debido a una fuerza externa aplicada. En la deformación plástica, o plasticidad, el material cambia permanentemente de forma, a diferencia de la deformación elástica que recupera su forma original.
La deformación plástica es la piedra angular de la ingeniería y la fabricación. Su naturaleza maleable permite dar forma a los metales en intrincados diseños, permitiendo la creación de diferentes productos, desde joyas hasta componentes de maquinaria.
Las industrias confían en la plasticidad para procesos de conformado de metales como el laminado, la extrusión y la forja. Estos procesos derivan en productos con las formas deseadas y propiedades mejoradas.
La utilización controlada de este fenómeno potencia la innovación en la arquitectura, el diseño de automóviles, la ingeniería aeroespacial y muchos otros campos. Esto pone de relieve su papel crucial en la transformación de materias primas en productos finales funcionales, eficientes y estéticamente agradables.
¿Cómo se calcula la deformación plástica?
La deformación plástica está estrechamente relacionada con la tensión y la deformación. La tensión es la fuerza aplicada por unidad de superficie de un material, mientras que la deformación se refiere a la deformación resultante.
La relación entre la tensión (σ) y la deformación (ε) suele expresarse mediante la curva tensión-deformación. Un parámetro clave de esta curva es el límite elástico, que marca la transición entre la deformación elástica y la plástica. El límite elástico es la tensión a partir de la cual comienza la deformación plástica. La ecuación para calcular la tensión es:
σ = F / A
Donde σ es la tensión, F es la fuerza y A es el área de la sección transversal del material. La deformación se calcula mediante la fórmula:
ε = ∆L / L
Aquí, ε es la deformación, ∆L es el cambio en la longitud del material, y L es la longitud original del material.
¿Qué causa la deformación plástica?
La deformación plástica es el resultado de una compleja interacción de varios factores en la estructura atómica de un material. Varias causas subyacentes contribuyen a este fenómeno, incluyendo:
- Movimiento de dislocación: las dislocaciones son defectos de la red atómica de un material. Bajo tensión, estas dislocaciones se mueven, permitiendo que las capas de átomos se deslicen unas sobre otras, originando la deformación plástica.
- Activación de sistemas de deslizamiento: los materiales cristalinos poseen planos cristalográficos específicos a lo largo de los cuales los átomos pueden moverse fácilmente. La aplicación de tensión activa estos sistemas de deslizamiento, facilitando la deformación plástica.
- Límites de grano: los materiales suelen componerse de numerosos cristales pequeños o granos. La deformación plástica puede producirse a lo largo de los límites de grano, donde la alineación de las estructuras cristalinas difiere.
- Torsión: en algunos materiales puede producirse una macla, en la que las capas de átomos se reflejan entre sí. Bajo tensión, estos límites pueden moverse, provocando deformación plástica.
El conjunto de estas causas contribuye a la extraordinaria capacidad de los materiales para sufrir deformación plástica. Es esta propiedad lo que permite manipularlos y darles forma para una amplia gama de aplicaciones.
Tipos de deformación plástica
La deformación plástica se manifiesta de varias formas, cada una con características e implicaciones distintas. Entender estos tipos de plasticidad es crucial para comprender cómo responden los materiales a las fuerzas externas. Los siguientes son los principales tipos de deformación plástica:
Deformación uniforme
En este tipo de plasticidad, un material se deforma de manera uniforme en toda su estructura cuando se somete a tensión. Este tipo de deformación se suele observar en ensayos de tracción simples, en los que un material se estira uniformemente desde ambos extremos. La respuesta del material es predecible, lo que facilita su análisis y modelización.
Deformación no uniforme (estrangulamiento)
El estrangulamiento o deformación no uniforme se produce cuando una sección localizada del material experimenta una mayor tensión y deformación en comparación con sus alrededores. Este fenómeno se conoce como ‘necking’ y suele preceder a la fractura. Un ejemplo sería estirar una goma elástica, la cual se adelgaza en el punto de estiramiento máximo antes de romperse.
Deformación volumétrica
La deformación volumétrica implica cambios tanto en la forma como en el volumen. Este tipo es especialmente importante en condiciones de alta presión en las que los materiales experimentan compresión desde todas las direcciones.
Deformación por cizallamiento
El cizallamiento se produce cuando las capas de un material se deslizan unas sobre otras en respuesta a una fuerza aplicada. Esta deformación es común en materiales como la arcilla, donde las capas de partículas pueden desplazarse fácilmente, dando lugar a cambios de forma observables.
Fluencia
La fluencia es una forma de deformación plástica lenta y dependiente del tiempo que se produce bajo tensión constante y temperaturas elevadas. Este tipo de deformación es crítica en aplicaciones que implican entornos de alta temperatura, como los álabes de turbina de los motores a reacción.
Fatiga
Aunque no es tan evidente como los otros tipos, la fatiga es una forma importante de deformación plástica. Se produce por cargas y descargas cíclicas repetidas. Esto puede provocar grietas y, finalmente, el fallo, incluso a niveles de tensión inferiores al límite elástico del material.
Estos tipos de deformación plástica muestran las diversas formas en que los materiales responden a las fuerzas externas. Los ingenieros y científicos analizan estos comportamientos para diseñar estructuras y productos que puedan soportar las condiciones a las que están expuestos.
Ejemplos de deformación plástica
La deformación plástica se da en multitud de situaciones cotidianas y procesos industriales. Los siguientes son algunos ejemplos:
Conformado de metales
La industria manufacturera depende en gran medida de la deformación plástica para dar forma a los metales en una amplia gama de productos. Desde paneles de carrocería de automóviles hasta componentes aeroespaciales, metales como el acero y el aluminio se moldean mediante diversos procesos.
Trabajo en frío
Las monedas son un buen ejemplo de trabajo en frío. La presión aplicada durante la acuñación de monedas induce una deformación plástica que da lugar a monedas más duras y resistentes. Este proceso controlado mejora las propiedades del material sin alterar su composición química.
Moldeo de polímeros
Los plásticos, un tipo de polímero, presentan una plasticidad significativa. El moldeo por inyección, una técnica muy extendida, calienta el plástico hasta que se vuelve maleable, lo que le permite adoptar formas complejas al enfriarse.
Soplado de vidrio
Incluso los materiales amorfos como el vidrio pueden sufrir deformaciones plásticas. Los sopladores de vidrio moldean hábilmente el vidrio fundido aplicando una presión controlada a través del soplado, creando piezas de cristalería, adornos y esculturas artísticas.
Herrería
Las técnicas tradicionales de herrería consisten en someter los metales a un calor intenso y fuerzas localizadas. Al martillar hábilmente el metal, los herreros inducen la deformación plástica, creando herramientas, armas y diseños ornamentados.
Conformado de chapas metálicas
Desde latas de bebidas hasta paneles de aviones, el conformado de chapas metálicas utiliza la deformación plástica para dar formas precisas a finas láminas de metal. Para ello, se vale de métodos como el doblado, la embutición profunda y el estirado.
Trefilado
El trefilado consiste en tirar de una varilla metálica a través de una serie de matrices, induciendo una deformación plástica. Esta fuerza reduce el diámetro del alambre a la vez que aumenta su longitud. El trefilado es un proceso es fundamental en la fabricación de hilos eléctricos, cables y otros productos de alambre fino.
¿Puede considerarse como un defecto del metal su capacidad para deformarse plásticamente?
La capacidad de un metal para deformarse plásticamente no es un defecto; es una propiedad fundamental. Esta particularidad es lo que hace que los metales y otros materiales sean versátiles y valiosos en diversas aplicaciones.
Sin embargo, en algunos casos, una deformación plástica excesiva debida a procesos de fabricación o diseños estructurales inadecuados puede tener consecuencias imprevistas. Esto puede incluir la reducción de la integridad estructural de material o su fallo prematuro.
Diferencias entre deformación plástica y deformación elástica
La deformación plástica y la deformación elástica son comportamientos mecánicos distintos que presentan los materiales sometidos a tensión. La deformación elástica es temporal y reversible, y los materiales recuperan su forma original una vez eliminado el esfuerzo. Esto obedece a la ley de Hooke, que muestra una relación lineal tensión-deformación dentro del límite elástico.
Por el contrario, la deformación plástica implica cambios de forma permanentes más allá del límite elástico. Los materiales que experimentan una deformación plástica conservan su forma alterada incluso después de eliminar la tensión. Esta diferencia fundamental define cómo responden los materiales a las fuerzas aplicadas e influye en sus aplicaciones prácticas en diversas industrias.