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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.
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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
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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
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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
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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.
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