En enginyeria, la deformació (el canvi de mida o forma d'un objecte) pot ser elàstica o plàstica. Si la deformació és insignificant, es diu que l'objecte és rígid. miniatura|158x158px|L'esforç de compressió provoca una deformació que escurça l'objecte però també l'expandeix cap a l'exterior.
Conceptes principals L'aparició de deformacions en aplicacions d'enginyeria es basa en els següents conceptes bàsics:
Els desplaçaments són qualsevol canvi de posició d'un punt sobre l'objecte, incloent-hi les translacions i rotacions de tot el cos (transformacions rígides). Les deformacions són canvis en la posició relativa entre punts interns de l'objecte, excloent-hi les transformacions rígides, que fan que el cos canviï de forma o mida. La deformació és la deformació interna relativa, el canvi adimensional de forma d'un cub infinitesimal de material en relació amb una configuració de referència. Les deformacions mecàniques són causades per esforços mecànics, vegeu la corba esforç-deformació.
La relació entre la tensió i la deformació és generalment lineal i reversible fins al punt de fluència i la deformació és elàstica. L'elasticitat en els materials es produeix quan la tensió aplicada no supera l'energia necessària per trencar els enllaços moleculars, permetent que el material es deformi reversiblement i torni a la seva forma original un cop s'ha eliminat la tensió. La relació lineal per a un material es coneix com a mòdul de Young. Per sobre del punt de fluència, queda un cert grau de distorsió permanent després de la descàrrega i s'anomena deformació plàstica. La determinació de la tensió i la deformació al llarg d'un objecte sòlid ve donada pel camp de resistència dels materials i, per a una estructura, per l'anàlisi estructural.
A la figura anterior, es pot veure que la càrrega de compressió (indicada per la fletxa) ha causat deformació al cilindre, de manera que la forma original (línies discontínues) ha canviat (s'ha deformat) per una amb els costats inflats. Els costats s'inflan perquè el material, tot i que és prou fort per no esquerdar-se ni fallar, no és prou fort per suportar la càrrega sense canvis. Com a resultat, el material és forçat a sortir lateralment. Les forces internes (en aquest cas en angle recte amb la deformació) resisteixen la càrrega aplicada.
Tipus de deformació Segons el tipus de material, la mida i la geometria de l'objecte, i les forces aplicades, es poden produir diversos tipus de deformació. La imatge de la dreta mostra el diagrama d'esforços i deformacions d'enginyeria per a un material dúctil típic com l'acer. Es poden produir diferents modes de deformació en diferents condicions, tal com es pot representar mitjançant un mapa del mecanisme de deformació.
La deformació permanent és irreversible; la deformació roman fins i tot després de la retirada de les forces aplicades, mentre que la deformació temporal és recuperable, ja que desapareix després de la retirada de les forces aplicades. La deformació temporal també s'anomena deformació elàstica, mentre que la deformació permanent s'anomena deformació plàstica. miniatura|Diagrama típic de tensió vs. deformació que indica les diverses etapes de deformació.
Deformació elàstica L'estudi de la deformació temporal o elàstica en el cas de la deformació en enginyeria s'aplica a materials utilitzats en enginyeria mecànica i estructural, com el formigó i l'acer, que estan sotmesos a deformacions molt petites. La deformació en enginyeria es modelitza mitjançant la teoria de deformacions infinitesimals, també anomenada teoria de petites deformacions, teoria de petits desplaçaments o teoria de petits gradients de desplaçament, on tant les deformacions com les rotacions són petites.
Per a alguns materials, com ara elastòmers i polímers, sotmesos a grans deformacions, la definició d'enginyeria de deformació no és aplicable, com ara deformacions d'enginyeria típiques superiors a l'1%, per la qual cosa es requereixen altres definicions més complexes de deformació, com ara estirament, deformació logarítmica, deformació de Green i deformació d'Almansi. Els elastòmers i els metalls amb memòria de forma com el nitinol presenten amplis rangs de deformació elàstica, igual que el cautxú. Tanmateix, l'elasticitat no és lineal en aquests materials.
Els metalls normals, les ceràmiques i la majoria dels cristalls mostren una elasticitat lineal i un rang elàstic més petit.
La deformació elàstica lineal es regeix per la llei de Hooke, que estableix:
on
és la tensió aplicada; és una constant material anomenada mòdul de Young o mòdul elàstic; és la tensió resultant.
Aquesta relació només s'aplica en el rang elàstic i indica que el pendent de la corba de tensió vs. deformació es pot utilitzar per trobar el mòdul de Young ( ). Els enginyers sovint utilitzen aquest càlcul en proves de tracció. L'àrea sota aquesta regió elàstica es coneix com a resiliència.
Cal tenir en compte que no tots els materials elàstics pateixen una deformació elàstica lineal; alguns, com el formigó, la fosa grisa i molts polímers, responen de manera no lineal. Per a aquests materials, la llei de Hooke no és aplicable.Callister, William D. (2004) Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley and Sons, 2nd ed. p. 184. . miniatura|Diferència entre les corbes de tensió-deformació reals i d'enginyeria
Deformació plàstica miniatura|Placa d'acer de baixa aleació d'alta resistència de la marca Swebor, que mostra les dues cares, després de la deformació plàstica en deixar en repòs els projectils en proves de balística. Aquest tipus de deformació no es desfà simplement eliminant la força aplicada. Tanmateix, un objecte en el rang de deformació plàstica primer haurà experimentat una deformació elàstica, que es desfà simplement eliminant la força aplicada, de manera que l'objecte tornarà parcialment a la seva forma original. Els termoplàstics tous tenen un rang de deformació plàstica força ampli, igual que els metalls dúctils com el coure, la plata i l'or. L'acer també, però no el ferro colat. Els plàstics termoestables durs, el cautxú, els cristalls i la ceràmica tenen rangs de deformació plàstica mínims. Un exemple d'un material amb un rang de deformació plàstica ampli és el xiclet humit, que es pot estirar fins a desenes de vegades la seva longitud original.
Sota esforç de tracció, la deformació plàstica es caracteritza per una regió d'enduriment per deformació i una regió d'estrellament i, finalment, una fractura (també anomenada ruptura). Durant l'enduriment per deformació, el material es torna més fort a través del moviment de dislocacions atòmiques. La fase d'estrellament s'indica per una reducció de l'àrea de la secció transversal de la mostra. L'estrellament comença després que s'assoleixi la resistència màxima. Durant l'estrellament, el material ja no pot suportar l'esforç màxim i la deformació de la mostra augmenta ràpidament. La deformació plàstica acaba amb la fractura del material. miniatura|Diagrama d'una corba tensió-deformació, que mostra la relació entre la tensió (força aplicada) i la deformació (deformació) d'un metall dúctil.
Fallada Fallada compressiva Normalment, la tensió de compressió aplicada a barres, columnes, etc. provoca un escurçament.
La càrrega d'un element estructural o mostra augmentarà la tensió de compressió fins que assoleixi la seva resistència a la compressió. Segons les propietats del material, els modes de falla són cedents per a materials amb comportament dúctil (la majoria de metalls, alguns sòls i plàstics) o ruptura per a comportament fràgil (geomaterials, ferro colat, vidre, etc.).
En elements estructurals llargs i esvelts, com ara columnes o barres de gelosia, un augment de la força de compressió F condueix a una falla estructural a causa del vinclament a una tensió inferior a la resistència a la compressió.
Fractura Una ruptura es produeix després que el material hagi arribat al final dels rangs de deformació elàstica, i després plàstica. En aquest punt, les forces s'acumulen fins que són suficients per causar una fractura. Tots els materials acabaran fracturant-se si s'apliquen forces suficients.
Tipus d'estrès i tensió La tensió i la deformació d' enginyeria són aproximacions a l'estat intern que es poden determinar a partir de les forces i deformacions externes d'un objecte, sempre que no hi hagi un canvi significatiu de mida. Quan hi ha un canvi significatiu de mida, la tensió i la deformació reals es poden derivar de la mida instantània de l'objecte.
Tensió i deformació d'enginyeria Considereu una barra amb una secció transversal sotmesa a forces iguals i oposades que estiren els extrems, de manera que la barra està sota tensió. El material experimenta una tensió definida com la relació entre la força i la secció transversal de la barra, així com un allargament axial:
Equacions d'esforç i deformació en enginyeria EstrèsTensió El subíndex 0 denota les dimensions originals de la mostra. La unitat derivada del SI per a la tensió són els newtons per metre quadrat o pascals (1 pascal = 1 Pa = 1 N/ m2 ), i la deformació no té unitats. La corba tensió-deformació per a aquest material es representa allargant la mostra i registrant la variació de la tensió amb la deformació fins que la mostra es fractura. Per convenció, la deformació s'estableix a l'eix horitzontal i la tensió s'estableix a l'eix vertical. Cal tenir en compte que, amb finalitats d'enginyeria, sovint assumim que l'àrea de la secció transversal del material no canvia durant tot el procés de deformació. Això no és cert, ja que l'àrea real disminuirà mentre es deforma a causa de la deformació elàstica i plàstica. La corba basada en la secció transversal original i la longitud de calibre s'anomena corba tensió-deformació d'enginyeria, mentre que la corba basada en l'àrea i la longitud de la secció transversal instantànies s'anomena corba tensió-deformació real. A menys que s'indiqui el contrari, generalment s'utilitza la tensió-deformació d'enginyeria.
Estrès i tensió reals miniatura|328x328px|La diferència entre la corba tensió-deformació real i la corba tensió-deformació d'enginyeria En les definicions anteriors de tensió i deformació en enginyeria, s'ignoren dos comportaments dels materials en proves de tracció:
la reducció de l'àrea de la secció desenvolupament compost de l'elongació
La tensió i la deformació veritables es defineixen de manera diferent que la tensió i la deformació d'enginyeria per tenir en compte aquests comportaments. Es donen com
Equacions de tensió i deformació reals EstrèsTensió Aquí les dimensions són valors instantanis. Suposant que el volum de la mostra es conserva i que la deformació es produeix uniformement,
La tensió i la deformació reals es poden expressar mitjançant tensió i deformació d'enginyeria. Per a la tensió real,
Per la tensió,
Integra els dos costats i aplica la condició de contorn,
Així doncs, en una prova de tensió, la tensió real és més gran que la tensió d'enginyeria i la deformació real és menor que la deformació d'enginyeria. Per tant, un punt que defineix la corba tensió-deformació real es desplaça cap amunt i cap a l'esquerra per definir la corba tensió-deformació d'enginyeria equivalent. La diferència entre les tensions i deformacions reals i d'enginyeria augmentarà amb la deformació plàstica. A deformacions baixes (com la deformació elàstica), les diferències entre les dues són insignificants. Pel que fa al punt de resistència a la tracció, és el punt màxim de la corba tensió-deformació d'enginyeria, però no és un punt especial de la corba tensió-deformació real. Com que la tensió d'enginyeria és proporcional a la força aplicada al llarg de la mostra, el criteri per a la formació de l'estrenyiment es pot establir com a
Aquesta anàlisi suggereix la naturalesa del punt de resistència a la tracció final (RTA). L'efecte de reforç per treball està exactament equilibrat per la reducció de l'àrea de la secció al punt RTA.