Todo sobre la resilencia en los materiales

Un término muy usado en la psicología, se traspola a la ingeniería, acoplándose magistralmente al contexto que abordaremos en este post. Nos referimos explicitamente a la resiliencia en los materiales, un término acuñado al sector de la ingeniería en general, como un un elemento trascendental en el área de la construcción de diversas estructuras, puesto que determina el nivel de resistencia de un componente, entre otros aspectos que explicaremos en las siguientes líneas.

Resiliencia en los materiales

Resiliencia en los materiales ¿Qué es? Ejemplos y ensayos

Efectivamente, se entiende como resiliencia en los materiales, a la propiedad mediante la cual este recupera su forma o postura original luego de doblarse, soportar una fuerza, de un alargado o una fuerza. Para que ello ocurra, obviamente debe ocurrir previo a su desfiguración, bien sea perenne o irreversible, puesto que de lo contrario no retornará a su formato primario, y quedaría deforme para siempre.

Se debe decir además, que en el conjunto de materiales más populares con alta capacidad de resiliencia, resulta ser la goma; donde la deformación elástica se corresponde en tanto no se rompa o fracture de forma permanente dicho material. Por ello, esta resistencia se valora y se consigue habitualmente dentro de la desfiguración elástica del material.

Llamándose como máximo de elasticidad de un material, a la fuerza suprema ejercida sobre un elemento sin que este pierda su figura. De tal manera, que la energía absorbida por un material previo a alcanzar su límite de elasticidad, es lo que se conoce como resiliencia en los materiales.

De tal manera que al someter un material progresivamente a una fuerza superior, su material no se romperá ni quedará deforme para siempre, porque su resiliencia se irá incrementando. Esta propiedad se debe a que al dejar de propinarle fuerza, la energía tomada será liberada para retomar su estado o condición inicial. Donde su mayor expresión de resiliencia lo alcanzará cuando bien sea que rompa o se deforme para siempre.

Pudiéndose afirmar entonces, que la resiliencia en los materiales, obedece a la capacidad de memoria que posee el material y retomar su forma inicial luego de ser sometido a una fuerza mayor. En donde al llegar a su límite de elasticidad, ya no no deformará, y se estará frente a una ausencia de resiliencia.

Se entiende que un elemento es resiliente, cuando se desfigura notoriamente previo a su ruptura, en tanto que tendrá una baja o débil resistencia, si presenta algún quiebre antes de partirse; un ejemplo de ello, es la goma que posee una altísima resiliencia, mientras que la del vidrio es muy poca.

En este sentido se tiene, que aquellos materiales sometidos a impactos o variaciones abruptas de cargas de fuerza o energía, que se pueden mostrar en cualquier momento, la falla tiene lugar habitualmente al no asumir deformaciones plásticas o por fragilidad, pese a tratarse de metales dúctiles. En cuyo caso, es prudente estudiar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto para observar su comportamiento.

Tal es el caso de los ensayos de impacto, donde se expone la fragilidad, resistencia o habilidad de cierto material para soportar cargas abruptas, por el esfuerzo requerido para ocasionar la fractura de la probeta de un sólo impulso, referido a la unidad de área, para conseguir la necesaria resiliencia en los materiales.

¿Qué es?

Para aclarar términos, primeramente se debe establecer que la definición de la resiliencia en los materiales en este post, corresponden de forma exclusiva al contexto de la ingeniera, y por tanto obedece a aquella facultad existente en un material que logra que luego de someterse a una fuerza o energía, este retome su forma o postura original, luego de estar doblado, considerando al mismo tiempo, la fatiga del mismo para poder precisar y determinar su estiramiento o compresión.

Cabe resaltar, que tal propiedad o cualidad resulta de vital importancia para determinar el uso de ciertos materiales en las diversas aplicaciones en el campo de la ingeniería. Claro que, en otro contexto, tal capacidad debe establecerse previamente a su uso, o antes de comenzar lo que se denomina en este ámbito, como deformación plástica, y que declara como una deformación del material permanente o irreversible.

En este caso, es conveniente traer a referencia el ejemplo anterior sobre goma plástica, por ser uno de los materiales de mayor elasticidad y resiliencia, puesto que la misma es capaz de deformarse al extremo, y sin embargo, retomar su molde original casi de inmediato, ello obedece a que la deformación elástica se caracteriza por ser extrema mientras no rompa o deforme. De allí que esta propiedad siempre se mide dentro de la capacidad de deformación elástica del material.

Por tanto, también se denomina límite elástico, debido a la fuerza suprema que se le puede propinar sin que el material sufra deformaciones perennes. De tal manera que la energía absorbida por un determinado material antes de alcanzar su máximo de elasticidad, es lo que se concibe como resiliencia en los materiales, siendo la goma por demás de mucha utilidad para resortes, bandas elásticas y cualquier otro material que deba deformarse y recuperar su forma original.

Resiliencia en los materiales

De tal forma, que si un material es sometido progresivamente a cada vez a más fuerza, este no se romperá ni deformará para siempre, lo que a su vez significa que, sencillamente su resiliencia se incrementará a medida que la fuerza se incremente sobre el mismo.

Mientras que al dejar de aplicar la fuerza requerida para desfigurarlo, seguramente, la energía absorbida será liberada para retomar su estado o forma inicial, y si este material es supremamente resiliente, entonces, retomará su forma enérgica a su estado original, que como bien se explicó anteriormente, el mejor ejemplo para graficar este proceso, es la la banda elástica, que al ser estirada a su máximo, la misma retomará de forma violenta su formato natural.

Es decir, que la máxima resiliencia en los materiales se logra cuando se aplica una fuerza tal, que lo lleve a su punto quiebre o ruptura perenne. Siendo entonces que se puede afirmar, que representa la habilidad de memoria de ciertos materiales para retomar su forma natural luego de alcanzar un quiebre supremo al aplicar una fuerza externa.

Como se observa en las ilustraciones de los ensayos de resiliencia en los materiales, esta se va incrementando de acuerdo a la fuerza ejercida sobre el material. Y a partir de su límite elástico, este se desfigura para siempre, concluyendo entonces, que ya no existe resiliencia, por tal motivo, los ingenieros consideran muy bien esta condición al colocar un material de alta resiliencia en diversas aplicaciones y estructuras.

Para qué sirve la resiliencia

Considerando las explicaciones anteriores, la resiliencia en los materiales es determinante para la resistencia de cualquier estructura o infraestructura que está presente en la vida cotidiana del ser humano. Una muestra clara de ello, es un vehículo, específicamente el parachoques. El cual es probado por los expertos, para conocer su capacidad de aguante ante una eventual colisión con otro coche o una barrera, y que este no sólo soporte el golpe, sino, que además no se rompa.

Otra muestra de resiliencia son los colchones, donde el mismo debe ofrecer una alta capacidad de resistencia, para que luego de deformarse al estar acostados sobre él, retome su condición inicial, porque de lo contrario, quedará deformado al levantarse. Por ello, en el campo de la ingeniería continuamente se ensaya la resiliencia, a fin de calcular la facilidad o no de deformarse de miles de materiales metálicos. plásticos, maderas, entre muchos más.

Resiliencia en los materiales

¿Cómo se comportan los materiales con resiliencia?

En este sentido, se puede describir la resiliencia en los materiales, como la capacidad de resistencia a la desfiguración perenne, o bien la fuerza que es capaz de tener un elemento hasta el punto de su quiebre significativo previo a su ruptura o desfiguración perenne; y un material con baja resiliencia, es aquel material muy frágil, que con sólo someterse a alguna deformación, este se fractura.

Retomando nuestro ejemplo, ya se estableció que la goma posee una resiliencia superior, en tanto que el vidrio en oposición es muy poco resiliente, en vista de la rigidez del material.

La definición real en la ciencia de los materiales es la siguiente

En concordancia con el punto anterior, se debe agregar que la resiliencia entonces atiende a la capacidad de un material para absorber la fuerza o energía flexible cuando se deforma a su máximo, así como retomar o ceder, cuando se cesa la carga, y retomando este a su su formato original.

En este sentido, la propiedad vinculada al término conocido como módulo de resiliencia, Ur, siendo este el elemento con el que se puede llevar a cabo la medición real de la resiliencia en los materiales, donde dicha medio de media toma mucho valor en la construcción de una amplia gama de estructuras y objetos a lo largo y ancho del mundo, dado a su concepto básico aplicado a la ingeniería.

Otro elemento que se debe abordar en el módulo de resiliencia, es la energía capaz de desfigurar por medio de volumen requerido para romper un material hasta su máximo de flexibilidad, por tal razón es que al probarse cierto material para una aplicación en particular, sus medidas deben estar presentes como garantía de que dicho material podrá soportar tensiones altas.

Asimismo, la resiliencia por unidad de volumen, supone otro elemento importante cuando se ensayan con estos materiales. Tales aplicaciones se evalúan y valoran en Julios por Unidad de Volumen, es decir, por m3, atendiendo al Sistema Internacional. Donde para esta prueba, así como la cuantificación, se debe determinar a través de ensayos con el método Izod o péndulo de Charpy, dando como resultado un valor que indica la fragilidad o resistencia de dicho material ensayado.

Medición de la resiliencia en los materiales

En el sector de la ingeniería, a ciertos elementos sometidos a colisiones o alteraciones bruscas de cargas de energía cinética, que pueden mostrarse eventualmente por diversas razones, se estima que la falla puede obedecer debido a que el material que recibe dicha energía no es capaz de aceptar deformaciones elásticas o por fragilidad, lo cual se produce aun en elementos metálicos dúctiles, que por demás, son muy flexibles.

En este escenario, es pertinente analizar a juicio de los expertos, el comportamiento del material con experimentos de choques o impactos, a fin de contar con premisas claras sobre la cantidad de energía que puede contener antes de llegar al punto de quiebre e irreversibilidad.

Esto será posible, usando diversos métodos, donde destacan los denominados ensayos de choque, en cuyas pruebas se podrán determinar, la resistencia, fragilidad o capacidad de algún material para absorber cargas en tiempo real, logrando de este modo, el trabajo necesario para inducir la fractura de la probeta de un solo choque, además de la atención a la unidad de área, para conseguir la necesaria resiliencia en los materiales que buscan los ingenieros en sus pruebas.

Asimismo, se puede argumentar con este concepto, que no se logra la muy conocida propiedad del material, hasta que se consigue lo que se conoce en la ingeniería, como índice de comparación de su plasticidad, todo lo cual en estrecha relación a las obtenidas en otros ensayos, en idénticas condiciones, siendo oportuno considerar en este caso, los diversos factores que replican  sobre ella para dar la seguridad sobre si material tiene o no resiliencia como principal característica por demás confiable.

Se debe agregar además, que la resiliencia en los materiales difiere de la tenacidad, en vista de que esta última es cuantitativa del volumen de fuerza existente en una unidad de área de fractura bajo la acción de una fuerza paulatina, distinto del primer término, donde se mide es por impacto o fuera abrupta, existiendo por tanto, una diferencia bien significativa y marcada entre un impacto y la aplicación de una fuerza progresiva.

De tal manera que se puede afirmar, que el impulso obedece a lo que se llama área bajo la curva de un ensayo de tracción, existente entre la desfiguración nula y la atinente al límite de rotura. Mientras que la resiliencia, representa la capacidad de un cuerpo en tomar la energía en un tiempo elástico, y atiende al área bajo la curva del ensayo de tracción, entre la deformación nula y el límite de fluencia, lo cual deja claro un enorme diferencia.

A fin de medir adecuadamente  la resiliencia en los materiales , hay que considerar que este se logra es a través de ensayos usando el método Izod o el péndulo de Charpy, donde se obtienen resultados finales que indican lo débil o la resistencia a los golpes del material ensayado, dando así información precisa y confiable sobre cuánto pueden resistir ciertos materiales previo a una fractura.

Una muestra de funcionamiento de la resiliencia en elementos metálicos con altos grados de resiliencia, se puede observar en los aceros austeníticos, es decir, aceros con alto contenido de austenita, lo cual se traduce a su vez, que son altamente flexibles. Mientras que en aceros al carbono o suaves, por contener menor cantidad de carbono, estos poseen mayor resiliencia que los aceros duros con un contenido de carbono mayor.

Unidad de medida

En cuanto a la unidad de media de la resiliencia, este se presenta expresada en valores de Julios por metro cuadrado, cuya fórmula es  J/m2. Asimismo, existe otra unidad ampliamente usado en la ingeniería, esta es kgf·m/cm2; o kilopondio metro por centímetro cuadrado: kp·m/cm2 la cual es útil en distintos materiales.

¿Para qué sirve la resiliencia en los materiales?

Para comprender mejor la utilidad de la propiedad de resistencia en los materiales, se debe asociar elementos habituales que están en la vida del hombre, como el caso ya referido de un vehículo, donde su diseño responde para que este resista colisiones extremas sin romperse. De igual forma están los simples colchones, también explicado anteriormente.

Por su parte la ingeniería pone a la disposición de la sociedad diversos elementos debidamente probados sobre la capacidad de resistencia, sean estos en infraestructuras complejas u otros elementos y estructuras habituales, en diversos materiales como madera, plásticos, metales, etc. Los cuales se prueban continuamente en ensayos de resiliencia, puesto que esta propiedad es de suma importancia para la construcción de diversos elementos y aplicarlos en muchos usos cotidianos.

Diferencia entre tenacidad y resiliencia

Una vez establecidos algunos de los elementos que hacen parte de la propuesta de hoy sobre la resiliencia en los materiales, se debe reiterar que estos tienen mucho valor e importancia para la vida.

Por ello, es tiempo de conocer la diferencia entre la tenacidad y resiliencia, puesto que son términos similares que pueden ciertamente conducir a confusiones y errores, y de no manejarse adecuadamente sus conceptos, puede conllevar a fallas en los materiales usados en una fabricación, cuyos ensayos estarían errados.

Por tal razón, es conveniente precisar que la tenacidad se refiere a la cantidad de energía tomada por ciertos materiales, justo previo a  fracturarse, de ser el caso; de tal manera que antes de ese punto, el material puede desfigurarse irreversiblemente. En tanto que la resiliencia, indica la energía guardada durante la deformación elástica.

Igualmente vale acotar, que un material puede ser capaz de extralimitarse a su resiliencia y continuar su desfiguración, asumida como como permanente, sin romperse. Y cuando alcanza su rotura, es allí donde se hace presente su tenacidad, siendo por tanto, crucial diferenciarse ambos conceptos muy bien.

Generalmente, se sabe que un material tenaz es aquel que debe recibir o aplicarse considerable fuerza con el fin de romperlo, y es entonces que este suele presentar mucha resiliencia, siendo por tanto conveniente separar y dominar ambos conceptos:

  • Tenacidad: obedece a la habilidad o capacidad de un material para tomar energía sin fracturarse, donde esta puede sobrepasar su resiliencia.
  • Resiliencia: corresponde a la propiedad que mide la habilidad de un material para tomar fuerza o energía, sin desfigurar su forma permanentemente, por tanto, mientras más resiliente sea un material, mayor elasticidad y flexibilidad tendrá.

Ensayo de resiliencia

La mejor forma de robar la resiliencia en los materiales, es a través de los ensayos, donde los ensayista lograr romper una probeta de muestra del material, dando golpes con un péndulo. Son por lo tanto pruebas destructivas; donde destacan Charpy e Izod.

Ensayo de resiliencia Charpy

Uno de los ensayos más populares en el campo de la ingeniería, es Charpy, donde se usa una máquina o péndulo de Charpy de allí su nombre; el mismo es responsable de medir la energía consumida y existente en la fractura o rotura de una probeta, dada por un golpe sobre esta, y cuya energía se caracteriza en vista de que se pierde en el péndulo cuando choca en su trayectoria contra la probeta.

Dicho equipo posee la peculiaridad que dispone de un péndulo con una masa (m), donde esta se deja caer desde una altura inicial (H), para que golpee una probeta del material que se pretende calcular la resiliencia total, así como su tenacidad. Por su parte esta probeta debe tener una cuña (entalla), además de que el péndulo siempre debe golpearla por el borde opuesto a la cuña. Por tanto, (h) corresponde a la altura final del péndulo.

Por su parte, el medio ambiente ideal para el ensayo debe ser de 20ºC, lo cual se logra con el propósito de lograr la maleabilidad del material, y que siempre sea la misma. Por ello, la energía consumida por el péndulo en destruir la probeta se debe calcular por la diferencia entre la energía del péndulo de Charpy antes de golpearla, y la que resta en el péndulo luego de golpear la probeta.

Es decir, el aumento de fuerza en potencia, mientras más energía quede en el péndulo, más resiliencia tendrá el material, pudiendo concluir que la resiliencia será la energía tomada por el impacto, cuya fórmula es:

  • ΔEp = EH – Eh = m x g ( H-h)

En cuanto a su simbología se entiende de la siguiente forma: (m) es la masa del péndulo, (g) la gravedad, (H) es la altura inicial del péndulo y (h) es la altura final del péndulo.

Sobre los ensayos, estos se realizan a través de ejercicios prácticos o laboratorios; donde se entiende que se somete a ensayo una probeta con una máquina charpy, dispuesta con un péndulo de 20Kgf (kilogramos fuerza), luego se deja caer desde una altura de 90cm. Después que se rompe la probeta, se logra una altura de 70cm. Allí, dicha probeta posee un ángulo cuadrado de 10mm de lado con una entalla (hendidura) de 2mm.

Acto seguido, se procede a calcular la resiliencia la resiliencia en los materiales, o energía absorbida por el impacto del péndulo como sigue:

  • ΔEp = m x g ( H-h) = 20 x 9,8 (0,9m -0,7m) = 39,2 N x m (newtons por metro)= 39,2 Julios (energía)

Módulo de resiliencia

Ahora, en cuanto al módulo de resiliencia, se tiene que la misma obedece a la energía dividida por la superficie de la probeta rota, pero la superficie que tiene por el lado de la cuña, de tal manera, que la fórmula para calcular este módulo es el siguiente:

  • Ur = ρ = ΔEp/S = m x g x (H-h)/S, lo que es igual al módulo de resiliencia = incremento de energía potencial/sección de la muestra por la entalla (cuña).

Tales símbolos obedecen a que S corresponde a la sección de la probeta en la cuña; habitualmente, su módulo de resiliencia se expresa en Kg/cm2 o unidades similares.

Según el ejercicio anterior se tendría la siguiente fórmula:

  • S = 10 (10-2) = 8 mm2.

En caso de proceder a dividir la resiliencia por esta superficie, sería como sigue:

  • ρ = 39,2/8 =4,9 Julios/mm2, correspondiente a la media real de la resiliencia.

De este modo se concluye el interesante post sobre la resiliencia en los materiales, y como se pudo evidenciar, este elemento es de mucho valor para la ingeniería, en especial de la construcción, toda vez que rinde tributo al necesario componente que deben tener algunos materiales para que funcionen adecuadamente y resistan los embates de la energía natural del medio ambiente o la acción del hombre ejerce sobre estos.

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