Resistencia a la flexión

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Los materiales de ingeniería están sujetos a una amplia variedad de fuerzas, desde tensión y compresión hasta flexión y torsión. La resistencia a la flexión es uno de los criterios clave para evaluar el rendimiento de un material en aplicaciones industriales y de ingeniería. En otras palabras, es la capacidad del material para resistir fallas bajo cargas de flexión. Esta propiedad es crucial en muchas industrias, como la ingeniería civil, la automotriz, la aeroespacial, la cerámica, los compuestos y los polímeros.

Definición de resistencia a la flexión

La resistencia a la flexión se refiere a la tensión máxima de flexión que un material puede soportar antes de romperse. En resumen, este parámetro indica la capacidad del material para resistir la flexión o la rotura bajo carga de flexión .

En algunas fuentes se utilizan otros términos, como:

Módulo de ruptura
Resistencia a la flexión
Resistencia a la ruptura transversal

También se utiliza para referirse a la misma característica.

Importancia de la resistencia a la flexión

¿Por qué es importante marcar esta función?

Diseño estructural: Las vigas, puentes y componentes de construcción están constantemente sometidos a cargas de flexión.
Compuestos y polímeros: En muchos componentes ligeros, la resistencia a la flexión es el criterio principal para la selección del material.
Industrias automotriz y aeroespacial: Las carrocerías de los automóviles y las alas de los aviones deben ser resistentes a la flexión, además de a la tracción.
Materiales frágiles como la cerámica y el hormigón: estos materiales generalmente tienen alta resistencia a la compresión pero baja resistencia a la flexión.

Factores que afectan la resistencia a la flexión

Varios factores afectan la resistencia a la flexión de un material:

La composición química de un material: el contenido de carbono en el acero, los aditivos en un polímero o el porcentaje de fibra en un material compuesto.
Microestructura: tamaño de grano, fase y orientación de la fibra.
Tamaño de la muestra: El grosor y el ancho de la muestra tienen un impacto directo en los resultados.
Estado de la superficie: Las grietas, los arañazos y los defectos de la superficie reducirán la resistencia a la flexión.
Condiciones ambientales: temperatura, humedad, contacto con sustancias corrosivas.
Método de carga: si la prueba es de tres puntos o de cuatro puntos.

Método de medición de la resistencia a la flexión

1. Prueba de flexión de tres puntos

Este método coloca la muestra sobre dos soportes y aplica la carga en el centro. Es relativamente simple, pero la tensión se concentra en el centro de la muestra.

2. Prueba de flexión de cuatro puntos

Este método aplica la carga mediante dos rodillos equidistantes del centro, de modo que una mayor área de la muestra se somete a una tensión uniforme. Este método ofrece alta precisión y es más adecuado para materiales heterogéneos, como los compuestos.

Fórmula de cálculo de la resistencia a la flexión

A) Prueba de tres puntos

$σf=3FL2bd2\sigma_f = \frac{3FL}{2bd^2}$

b) Inspección de cuatro puntos

$σf=3FL4bd2\sigma_f = \frac{3FL}{4bd^2}$

Dónde:

$F$ : Carga de rotura (N)
$L$ : distancia entre dos soportes (mm)
$b$ : ancho de la muestra (mm)
$d$ : espesor de la muestra (mm)

Propiedades relacionadas con la resistencia a la flexión

Módulo de flexión: La pendiente inicial de un gráfico de tensión-deformación cuando se dobla, que indica la capacidad del material para resistir la deformación por flexión.
Dureza: La cantidad de energía absorbida antes de fallar.
Comportamiento a la fractura: dúctil o frágil.

Valores de resistencia a la flexión de diferentes materiales

Acero dulce : aproximadamente 250 a 350 MPa.
Aluminio: aproximadamente 200 a 300 MPa.
Policarbonato: aproximadamente 80 a 120 MPa.
Materiales compuestos de fibra de carbono: superiores a 500 MPa.
Cerámica: La resistencia varía entre 100 y 300 MPa, pero son frágiles.
Hormigón: alrededor de 3 a 6 MPa (mucho más bajo que el metal).

Estos valores muestran que diferentes materiales tienen propiedades de flexión muy diferentes dependiendo de su estructura.

Norma ASME BPVC 2023 Sección VIII 1

Ventajas y desventajas del uso de pruebas de resistencia a la flexión

beneficio

Una forma rápida y sencilla de comparar materiales.
Los materiales frágiles que no se pueden probar en tensión se pueden inspeccionar.
Proporcionar datos útiles para el diseño industrial.

defecto

Los resultados son sensibles al tamaño y la forma de la muestra.
Los resultados pueden ser válidos solo para determinadas condiciones de carga.
La presencia de grietas o defectos superficiales puede cambiar drásticamente los resultados.

Aplicaciones industriales de la resistencia a la flexión

Industrias de la construcción y la ingeniería civil
- Las vigas y los puentes deben tener una alta resistencia a la flexión.
- El hormigón armado y los materiales compuestos para la construcción se diseñan teniendo en cuenta esta propiedad.
auto
- Los componentes del chasis y de la carrocería de un vehículo están sujetos a cargas de flexión.
- Elegir el material adecuado puede mejorar la seguridad de su vehículo.
aeroespacial
- Las alas de los aviones y los componentes de fibra de carbono requieren una alta resistencia a la flexión.
polímeros y compuestos
- Los materiales de ingeniería ligeros están diseñados para reemplazar al metal.
industria cerámica
- Se están realizando investigaciones sobre componentes cerámicos avanzados como turbinas y biocerámicas .

Ejemplo numérico de cálculo de resistencia a la flexión

Supongamos que se prueba una muestra con las siguientes dimensiones en una prueba de tres puntos:

Longitud de apertura $\, mm$
Ancho $b = 10 mm$
Espesor $\,$
Carga de falla $\, N$

calcular:

$MPa\sigma_f = \frac{3 \veces 200 \veces 100}{2 \veces 10 \veces 25} = 120 \,$

Por lo tanto, la resistencia a la flexión de esta muestra es de 120 MPa .

Normas internacionales pertinentes

ASTM D790 – Para plásticos y compuestos.
ISO 178 — Aplicable a materiales poliméricos.
ASTM C1161 – para cerámica.
ASTM E290 – Para metales.

en conclusión

La resistencia a la flexión es una de las propiedades mecánicas más importantes de un material, ya que representa su capacidad para resistir la rotura bajo carga de flexión. Esta propiedad desempeña un papel fundamental en el diseño y la selección de materiales en una amplia gama de industrias, como la construcción , la automoción, la aeroespacial, la cerámica y los compuestos.

Mediante ensayos estándar de tres y cuatro puntos, es posible obtener un valor preciso para este parámetro. En definitiva, comprender correctamente la resistencia a la flexión facilita la selección del material adecuado para cada aplicación y garantiza la seguridad y la eficiencia de las estructuras y equipos industriales.