En enginyeria i ciència de materials, una corba tensió-deformació per a un material dóna la relació entre la pressió aplicada, coneguda com a tensió, i la quantitat de deformació, coneguda com a deformació. S'obté aplicant gradualment una càrrega a un cupó de prova i mesurant la deformació, a partir de la qual es pot determinar la tensió i la deformació (vegeu assaig de tracció). Aquestes corbes revelen moltes de les propietats d'un material, com ara el mòdul de Young, el límit elàstic i la resistència a la tracció final. class=skin-invert-image|miniatura|Corba tensió-deformació típica d'un acer baix en carboni

Definició En general, les corbes que representen la relació entre la tensió i la deformació en qualsevol forma de deformació es poden considerar corbes tensió-deformació. La tensió i la deformació poden ser normals, de cisallament o una barreja, i també poden ser uniaxials, biaxials o multiaxials, i fins i tot poden canviar amb el temps. La forma de deformació pot ser compressió, estirament, torsió, rotació, etc. Si no s'especifica el contrari, el terme "corba tensió-deformació" normalment es refereix a la relació entre la tensió normal axial i la deformació normal axial dels materials mesurats en una prova de tensió.

Etapes A la figura es mostra un diagrama esquemàtic de la corba tensió-deformació de l'acer baix en carboni a temperatura ambient de la figura 1. Hi ha diverses etapes que mostren comportaments diferents, cosa que suggereix propietats mecàniques diferents. Per aclarir, els materials poden ometre una o més etapes que es mostren a la figura 1 o tenir etapes totalment diferents.

Regió elàstica lineal La primera etapa és la regió elàstica lineal. La tensió és proporcional a la deformació, és a dir, obeeix la llei general de Hooke, i el pendent és el mòdul de Young. En aquesta regió, el material només pateix deformació elàstica. El final de l'etapa és el punt d'inici de la deformació plàstica. El component de tensió d'aquest punt es defineix com a límit elàstic (o punt elàstic superior, UYP per abreujar).

Regió d'enduriment per deformació La segona etapa és la regió d'enduriment per deformació. Aquesta regió comença quan la tensió supera el punt elàstic, arribant a un màxim al punt de resistència última, que és la tensió màxima que es pot suportar i s'anomena resistència a la tracció última (RTA). En aquesta regió, la tensió augmenta principalment a mesura que el material s'allarga, excepte que per a alguns materials, com l'acer, hi ha una regió gairebé plana al principi. La tensió de la regió plana es defineix com el punt elàstic inferior (PLI) i resulta de la formació i propagació de bandes de Lüders. Explícitament, la deformació plàstica heterogènia forma bandes al límit elàstic superior i aquestes bandes que porten la deformació s'estenen al llarg de la mostra al límit elàstic inferior. Després que la mostra es deformi de nou uniformement, l'augment de la tensió amb el progrés de l'extensió resulta de l'enfortiment del treball, és a dir, les dislocacions denses induïdes per la deformació plàstica dificulten el moviment posterior de les dislocacions. Per superar aquests obstacles, s'ha d'aplicar una tensió de cisallament resolta més alta. A mesura que s'acumula la deformació, l'enfortiment del treball es reforça fins que la tensió arriba a la resistència a la tracció última. miniatura|Corba tensió-deformació per a una prova de tracció

Regió de l'estretjament La tercera etapa és la regió d'estrenyiment. Més enllà de la resistència a la tracció, es forma un estrenyiment on l'àrea de la secció transversal local esdevé significativament més petita que la mitjana. La deformació de l'estrenyiment és heterogènia i es reforçarà a mesura que la tensió es concentra més a la secció reduïda. Aquesta retroalimentació positiva condueix a un ràpid desenvolupament de l'estrenyiment i condueix a la fractura. Cal tenir en compte que, tot i que la força de tracció disminueix, l'enfortiment del treball continua progressant, és a dir, la tensió real continua creixent però la tensió d'enginyeria disminueix perquè no es considera l'àrea de la secció de contracció. Aquesta regió acaba amb la fractura. Després de la fractura, es pot calcular el percentatge d'elongació i la reducció de l'àrea de la secció.

Classificació class=skin-invert-image|miniatura|340x340px|Corba tensió-deformació per a materials fràgils en comparació amb materials dúctils Es poden distingir algunes característiques comunes entre les corbes de tensió-deformació amb diversos grups de materials i, sobre aquesta base, dividir els materials en dues grans categories; és a dir, els materials dúctils i els materials fràgils.

Materials dúctils Els materials dúctils, com ara l'acer estructural i molts altres metalls, es caracteritzen per la seva capacitat de cedir a temperatures normals.  Per exemple, l'acer baix en carboni generalment presenta una relació tensió-deformació molt lineal fins a un punt de fluència ben definit. La porció lineal de la corba és la regió elàstica, i el pendent d'aquesta regió és el mòdul d'elasticitat o mòdul de Young. El flux plàstic s'inicia al punt de fluència superior i continua al punt de fluència inferior.

L'aparició del punt de fluència superior s'associa amb la fixació de les dislocacions al sistema. La deformació permanent es produeix quan les dislocacions es veuen obligades a moure's més enllà dels punts de fixació. Inicialment, aquesta deformació permanent es distribueix de manera no uniforme al llarg de la mostra. Durant aquest procés, les dislocacions s'escapen de les atmosferes de Cottrell dins del material. Les bandes de lliscament resultants apareixen al punt de fluència inferior i es propaguen al llarg de la longitud de calibre, a una tensió constant, fins que s'assoleix la deformació de Lüders i la deformació esdevé uniforme.

Més enllà de la deformació de Lüders, la tensió augmenta a causa de l'enduriment per deformació fins que arriba a la tensió màxima de tracció. Durant aquesta etapa, l'àrea de la secció transversal disminueix uniformement al llarg de la longitud de calibre, a causa de la incompressibilitat del flux plàstic (no a causa de l'efecte Poisson, que és un fenomen elàstic). Aleshores comença un procés d'estrenyiment, que acaba en una fractura de "copa i con" característica dels materials dúctils.

L'aparició d'estrenyiment en materials dúctils s'associa amb una inestabilitat geomètrica del sistema. A causa de la inhomogeneïtat natural del material, és comú trobar algunes regions amb petites inclusions o porositat, dins del material o a la seva superfície, on es concentrarà la deformació, cosa que provocarà una reducció local de l'àrea de la secció transversal. Per a deformacions inferiors a la deformació última per tracció, l'augment de la velocitat d'enduriment per deformació en aquesta regió serà més gran que la velocitat de reducció de l'àrea, cosa que farà que aquesta regió sigui més difícil de deformar que altres, de manera que s'eliminarà la inestabilitat, és a dir, el material augmenta en homogeneïtat abans d'arribar a la deformació última. Tanmateix, més enllà d'això, la velocitat d'enduriment per deformació disminuirà, de manera que una regió amb una àrea més petita és més feble que les regions properes, per tant, la reducció de l'àrea es concentrarà en aquesta regió i el coll esdevindrà cada cop més pronunciat fins a la fractura. Després que el coll s'hagi format al material, es concentra més deformació plàstica al coll, mentre que la resta del material experimenta una contracció elàstica a causa de la disminució de la força de tracció.

La corba tensió-deformació per a un material dúctil es pot aproximar mitjançant l'equació de Ramberg-Osgood. Aquesta equació és fàcil d'implementar i només requereix el límit elàstic, la resistència última, el mòdul elàstic i el percentatge d'elongació del material.

Duresa class=skin-invert-image|miniatura|Tenacitat definida per l'àrea sota la corba tensió-deformació Els materials que són forts i dúctils alhora es classifiquen com a tenaços. La tenacitat és una propietat del material definida com l'àrea sota la corba tensió-deformació.

La tenacitat es pot determinar integrant la corba tensió-deformació."Toughness", NDT Education Resource Center, Brian Larson, editor, 2001–2011, The Collaboration for NDT Education, Iowa State University És l'energia de deformació mecànica per unitat de volum abans de la fractura. La descripció matemàtica explícita és: on

és la tensió és la tensió en cas de fallada és l'estrès

Materials fràgils Els materials fràgils, que inclouen el ferro colat, el vidre i la pedra, es caracteritzen pel fet que la ruptura es produeix sense cap canvi previ perceptible en la velocitat d'elongació, de vegades es fracturen abans de cedir.

Els materials fràgils com el formigó o la fibra de carboni no tenen un punt elàstic ben definit i no s'endureixen per deformació. Per tant, la resistència última i la resistència a la ruptura són les mateixes. Els materials fràgils típics com el vidre no mostren cap deformació plàstica, però fallen mentre la deformació és elàstica. Una de les característiques d'una fallada fràgil és que les dues parts trencades es poden tornar a muntar per produir la mateixa forma que el component original, ja que no hi haurà formació de coll com en el cas dels materials dúctils. Una corba tensió-deformació típica per a un material fràgil serà lineal. Per a alguns materials, com el formigó, la resistència a la tracció és insignificant en comparació amb la resistència a la compressió i se suposa que és zero per a moltes aplicacions d'enginyeria. Les fibres de vidre tenen una resistència a la tracció més gran que la de l'acer, però el vidre a granel normalment no la té. Això es deu al factor d'intensitat d'estrès associat als defectes del material. A mesura que la mida de la mostra augmenta, la mida esperada del defecte més gran també augmenta.

Referències

Categoria:Ciència de materials