Plasticidad (física)

En física y ciencia de los materiales, la plasticidad, también conocida como deformación plástica, es la capacidad de un material sólido para sufrir una deformación permanente, un cambio de forma irreversible en respuesta a las fuerzas aplicadas. Por ejemplo, una pieza sólida de metal que se dobla o golpea en una nueva forma muestra plasticidad a medida que ocurren cambios permanentes dentro del material mismo. En ingeniería, la transición del comportamiento elástico al comportamiento plástico se conoce como fluencia.

La deformación plástica se observa en la mayoría de los materiales, particularmente en metales, suelos, rocas, hormigón y espumas. Sin embargo, los mecanismos físicos que causan la deformación plástica pueden variar ampliamente. A escala cristalina, la plasticidad de los metales suele ser consecuencia de dislocaciones. Dichos defectos son relativamente raros en la mayoría de los materiales cristalinos, pero son numerosos en algunos y en parte de su estructura cristalina; en tales casos, puede resultar una cristalinidad plástica. En materiales frágiles como roca, hormigón y hueso, la plasticidad se debe principalmente al deslizamiento en las microfisuras. En materiales celulares como espumas líquidas o tejidos biológicos, la plasticidad es principalmente una consecuencia de los reordenamientos de burbujas o células, en particular los procesos T1.

Para muchos metales dúctiles, la carga de tracción aplicada a una muestra hará que se comporte de manera elástica. Cada incremento de carga va acompañado de un incremento proporcional de extensión. Cuando se retira la carga, la pieza vuelve a su tamaño original. Sin embargo, una vez que la carga supera un umbral, el límite elástico, la extensión aumenta más rápidamente que en la región elástica; ahora, cuando se retira la carga, quedará cierto grado de extensión.

La deformación elástica, sin embargo, es una aproximación y su calidad depende del marco temporal considerado y de la velocidad de carga. Si, como se indica en el gráfico adjunto, la deformación incluye deformación elástica, también se suele denominar "deformación elastoplástica" o "deformación elástico-plástica".

La plasticidad perfecta es una propiedad de los materiales para sufrir deformaciones irreversibles sin que aumenten las tensiones o las cargas. Los materiales plásticos que han sido endurecidos por una deformación previa, como el conformado en frío, pueden necesitar tensiones cada vez más altas para deformarse aún más. En general, la deformación plástica también depende de la velocidad de deformación, es decir, normalmente se deben aplicar tensiones más altas para aumentar la velocidad de deformación. Se dice que tales materiales se deforman viscoplásticamente.

Propiedades contribuyentes

La plasticidad de un material es directamente proporcional a la ductilidad y maleabilidad del material.

Mecanismos físicos

En metales

La plasticidad en un cristal de metal puro se debe principalmente a dos modos de deformación en la red cristalina: deslizamiento y macla. El deslizamiento es una deformación cortante que mueve los átomos a través de muchas distancias interatómicas en relación con sus posiciones iniciales. El maclado es la deformación plástica que se produce a lo largo de dos planos debido a un conjunto de fuerzas aplicadas sobre una determinada pieza metálica.

La mayoría de los metales muestran más plasticidad cuando están calientes que cuando están fríos. El plomo muestra suficiente plasticidad a temperatura ambiente, mientras que el hierro fundido no posee suficiente plasticidad para ninguna operación de forjado, incluso cuando está caliente. Esta propiedad es importante en las operaciones de conformado, conformado y extrusión de metales. La mayoría de los metales se vuelven plásticos por calentamiento y, por lo tanto, se moldean en caliente.

Sistemas de deslizamiento

Los materiales cristalinos contienen planos uniformes de átomos organizados con un orden de largo alcance. Los aviones pueden deslizarse entre sí a lo largo de sus direcciones compactas, como se muestra en la página de sistemas de deslizamiento. El resultado es un cambio permanente de forma dentro del cristal y la deformación plástica. La presencia de dislocaciones aumenta la probabilidad de planos.

Plasticidad reversible

En la nanoescala, la deformación plástica primaria en metales cúbicos centrados en las caras simples es reversible, siempre que no haya transporte de material en forma de deslizamiento cruzado. Las aleaciones con memoria de forma, como el alambre de nitinol, también exhiben una forma reversible de plasticidad que se denomina más propiamente pseudoelasticidad.

Bandas de corte

La presencia de otros defectos dentro de un cristal puede enredar las dislocaciones o evitar que se deslicen. Cuando esto sucede, la plasticidad se localiza en regiones particulares del material. Para los cristales, estas regiones de plasticidad localizada se denominan bandas de corte.

Microplasticidad

La microplasticidad es un fenómeno local en los metales. Ocurre para valores de tensión donde el metal está globalmente en el dominio elástico mientras que algunas áreas locales están en el dominio plástico.

Materiales amorfos

Enloquecido

En materiales amorfos, la discusión de "dislocaciones" es inaplicable, ya que todo el material carece de orden de largo alcance. Estos materiales aún pueden sufrir deformación plástica. Dado que los materiales amorfos, como los polímeros, no están bien ordenados, contienen una gran cantidad de volumen libre o espacio desperdiciado. Tirar de estos materiales en tensión abre estas regiones y puede dar a los materiales una apariencia borrosa. Esta turbidez es el resultado del agrietamiento, donde se forman fibrillas dentro del material en regiones de alta tensión hidrostática. El material puede pasar de una apariencia ordenada a un patrón "loco" de tensión y estrías.

Materiales celulares

Estos materiales se deforman plásticamente cuando el momento de flexión excede el momento totalmente plástico. Esto se aplica a las espumas de celda abierta donde el momento de flexión se ejerce sobre las paredes de la celda. Las espumas pueden estar hechas de cualquier material con un límite elástico plástico que incluye polímeros rígidos y metales. Este método de modelar la espuma como vigas solo es válido si la relación entre la densidad de la espuma y la densidad de la materia es inferior a 0,3. Esto se debe a que las vigas ceden axialmente en lugar de doblarse. En las espumas de celda cerrada, el límite elástico aumenta si el material está bajo tensión debido a la membrana que se extiende por la cara de las celdas.

Suelos y arena

Los suelos, particularmente las arcillas, muestran una cantidad significativa de inelasticidad bajo carga. Las causas de la plasticidad en los suelos pueden ser bastante complejas y dependen en gran medida de la microestructura, la composición química y el contenido de agua. El comportamiento plástico en los suelos es causado principalmente por el reordenamiento de racimos de granos adyacentes.

Rocas y cemento

Las deformaciones inelásticas de las rocas y el hormigón son causadas principalmente por la formación de microfisuras y movimientos de deslizamiento en relación con estas fisuras. A altas temperaturas y presiones, el comportamiento plástico también puede verse afectado por el movimiento de las dislocaciones en los granos individuales de la microestructura.

Descripciones matemáticas

Teoría de la deformación

Hay varias descripciones matemáticas de la plasticidad. Una es la teoría de la deformación (véase, por ejemplo, la ley de Hooke) en la que el tensor de tensión de Cauchy (de orden d-1 en d dimensiones) es una función del tensor de deformación. Aunque esta descripción es precisa cuando una pequeña parte de la materia está sujeta a una carga creciente (como una carga de deformación), esta teoría no puede explicar la irreversibilidad.

Los materiales dúctiles pueden soportar grandes deformaciones plásticas sin fracturarse. Sin embargo, incluso los metales dúctiles se fracturarán cuando la deformación sea lo suficientemente grande; esto se debe al endurecimiento por trabajo del material, lo que hace que se vuelva quebradizo. El tratamiento térmico, como el recocido, puede restaurar la ductilidad de una pieza trabajada, de modo que pueda continuar la conformación.

Teoría de la plasticidad del flujo

En 1934, Egon Orowan, Michael Polanyi y Geoffrey Ingram Taylor, casi simultáneamente, se dieron cuenta de que la deformación plástica de los materiales dúctiles podía explicarse en términos de la teoría de las dislocaciones. La teoría matemática de la plasticidad, teoría de la plasticidad del flujo, utiliza un conjunto de ecuaciones no lineales y no integrables para describir el conjunto de cambios en la deformación y el estrés con respecto a un estado anterior y un pequeño aumento de la deformación.

Criterios de rendimiento

Si la tensión excede un valor crítico, como se mencionó anteriormente, el material sufrirá una deformación plástica o irreversible. Este esfuerzo crítico puede ser de tracción o de compresión. Los criterios de Tresca y von Mises se utilizan comúnmente para determinar si un material ha cedido. Sin embargo, estos criterios han demostrado ser inadecuados para una amplia gama de materiales y varios otros criterios de rendimiento también son de uso generalizado.

Criterio tresca

El criterio de Tresca se basa en la noción de que cuando un material falla, lo hace por corte, lo cual es una suposición relativamente buena cuando se consideran metales. Dado el estado de tensión principal, podemos usar el círculo de Mohr para resolver las tensiones cortantes máximas que experimentará nuestro material y concluir que el material fallará si

donde σ ₁ es la tensión normal máxima, σ ₃ es la tensión normal mínima y σ ₀ es la tensión bajo la cual falla el material en carga uniaxial. Se puede construir una superficie de fluencia, que proporciona una representación visual de este concepto. Dentro de la superficie de fluencia, la deformación es elástica. En la superficie, la deformación es plástica. Es imposible que un material tenga estados de tensión fuera de su superficie de fluencia.

Criterio de Huber-von Mises

El criterio de Huber-von Mises se basa en el criterio de Tresca pero tiene en cuenta la suposición de que las tensiones hidrostáticas no contribuyen a la falla del material. MT Huber fue el primero en proponer el criterio de la energía de corte. Von Mises resuelve una tensión efectiva bajo carga uniaxial, restando las tensiones hidrostáticas y establece que todas las tensiones efectivas mayores que las que causan la falla del material en una carga uniaxial darán como resultado una deformación plástica.

Nuevamente, se puede construir una representación visual de la superficie de fluencia utilizando la ecuación anterior, que toma la forma de una elipse. Dentro de la superficie, los materiales sufren una deformación elástica. Alcanzar la superficie significa que el material sufre deformaciones plásticas.