2012-02-22-capitulo-3-propiedades-mecanicas

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Fundamentos de la Tecnología de Materiales 1
TEMA 1
Capítulo 3
PROPIEDADES
MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
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Podemos clasificar los materiales en base a sus
aplicaciones. Según este criterio, podemos dividirlos en dos
grandes grupos:
- Materiales estructurales
- y Materiales funcionales.
Los primeros son aquellos que van a estar caracterizados por sus propiedades mecánicas y cuando prestan servicio están
sometidos fundamentalmente a fuerzas o cargas.
Es por tanto por lo que el estudio de su comportamiento mecánico resulta de vital importancia ya que será el que nos refleje la
relación existente entre la fuerza que se le aplique y la respuesta que el material presenta frente a esa solicitación.
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4.1 MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS METALES
A los ingenieros metalúrgicos y de materiales se les solicita en numerosas
ocasiones el diseño de aleaciones con alta resistencia pero también con cierta
ductilidad y tenacidad.
La capacidad de un metal o aleación para deformarse
plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones
para moverse.
La resistencia mecánica se puede aumentar reduciendo la movilidad de
las dislocaciones; es decir, mayores fuerzas serán necesarias para
comenzar la deformación plástica.
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En definitiva, todas las técnicas de endurecimiento de las
aleaciones se basan en un principio muy simple:
- La restricción e impedimento del movimiento de las
dislocaciones convierte al material en más duro y
resistente.
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Mecanismos de endurecimiento:
Endurecimiento por solución sólida de metales
Endurecimiento por reducción del tamaño de
grano
Endurecimiento por deformación
Endurecimiento por precipitación
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4.1.1 Endurecimiento por solución sólida de metales
La estructura de una solución sólida puede ser de dos tipos: por sustitución o de inserción. Se crean campos de tensión alrededor
de cada átomo de soluto, que interaccionan con las dislocaciones provocando que sus movimientos se hagan más difíciles, con lo
que se consigue que la solución sólida sea más resistente y dura que el metal puro.
Los dos factores más importantes que afectan al endurecimiento
de las disoluciones sólidas:
 El factor de tamaño relativo, o lo que es lo mismo, las diferencias entre el tamaño de los átomos
del soluto y el disolvente, ya que cuanto mayor sea esa diferencia mayor será la distorsión producida en la red cristalina.
 El orden a corto alcance, es decir, es muy raro que una solución sólida se forme al azar al
mezclarse diferentes átomos, eso significa que algún tipo de orden de corto alcance o agrupación de átomos semejantes
estará presente.
Un ejemplo de endurecimiento por solución sólida lo constituyen los latones, resultado de la aleación de Cu con Zn,
de tal manera que mientras que la resistencia del cobre puro a tracción es del orden de 250 MPa, la resistencia a tracción de la
aleación 70%Cu y 30% Zn (latón de cartuchería) es del orden de 430MPa.
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4.1.2 Endurecimiento por reducción del tamaño de grano
El tamaño de grano de un metal policristalino afecta
considerablemente a las propiedades mecánicas del mismo.
Durante la deformación plástica del metal, las dislocaciones que se mueven a lo largo de un plano de cada grano
tiene su propio conjunto de dislocaciones en sus propios planos
de deslizamiento
preferidos, que a su vez
tienen diferentes
orientaciones de las de los
granos colindantes.
Figura 4.1. Esquema de los planos de deslizamiento contenidos en los granos de un metal
Planos de deslizamiento
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Un material con grano fino será mas duro y resistente que uno de
grano grueso, ya que el primero tiene un mayor número de bordes
de grano para un mismo volumen que el segundo. También en
muchos materiales el límite elástico y varía con el tamaño de
grano según la siguiente relación:
y = 0 + ky d
-1/2
Ecuación de Hall-Petch
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4.1.3 Endurecimiento por deformación
En una estructura de grano equiaxial, sometida a un
proceso de deformación plástica, los granos sufren cizallamiento relativo unos respecto de otros
mediante la generación, movimiento y redistribución de las dislocaciones.
Esto significa que la densidad de las dislocaciones aumentará cuanto
mayor sea el grado de deformación plástica al que sometamos al
material.
La densidad de la dislocación aumenta con la deformación, se hace cada vez más difícil el
movimiento de las dislocaciones a través del “bosque de dislocaciones” y, por tanto, el trabajo
sobre el metal que se endurece a medida que aumenta la deformación en frío. El cobre, aluminio o el hierro- son trabajados en
frío, se endurecen por deformación, o lo que es lo mismo endurecen
por acritud, uno de los métodos más importantes de
endurecimiento para los metales y aleaciones.
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4.1.4 Endurecimiento por precipitación
Lógicamente este proceso estará limitado a aquellas composiciones de aleaciones que muestren
curvas de insolubilidad parcial directas con la temperatura, delimitando
una zona monofásica y otra bifásica.
El grado de
endurecimiento es
proporcional al grado de
precipitado coherente
con a matriz.
Figura 4.2. Zona del diagrama de equilibrio Cu-Al que muestra los tres pasos a seguir en el endurecimiento por precipitación de
una aleación.
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El endurecimiento por precipitación se produce por el efecto de las
partículas precipitadas que, de forma coherente, deforman los planos
cristalinos de la matriz en el entorno de las mismas.
La coherencia es el concepto que involucra la continuidad de los planos
cristalinos de la matriz de la aleación, aún albergando un núcleo
de la fase precipitada por
sobresaturación.
Figura 4.4. a) Precipitado no coherente (estable)
sin relación con la estructura cristalina de la matriz.
b) Precipitado coherente inestable.
Si se produjera la discontinuidad de los planos cristalinos en el entorno de la partícula
precipitada, incoherencia, el precipitado se comportaría como un subgrano dentro del
monocristal y su actuación tendría el efecto de una inclusión.
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4.2RECUPERACIÓN, RECRISTALIZACIÓN Y CRECIMIENTO
DEL GRANO
La deformación plástica de una probeta metálica policristalina a temperaturas bajas
respecto a la de fusión, produce cambios en la microestructura y propiedades de la misma.
Los cambios fundamentales son:
 Cambio en la forma del grano
 Endurecimiento por
deformación
 Aumento de la densidad de
dislocaciones
Figura 4.5. Etapas de la recristalización de un metal
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Pero estos cambios y estructuras pueden recuperar sus valores anteriores a la deformación en frío mediante
tratamientos térmicos adecuados que producen unos fenómenos
de recuperación y recristalización después de los cuales puede ocurrir el
crecimiento de grano.
4.2.1 Recuperación
En principio, la recuperación es un fenómeno que ocurre a baja temperatura, y los cambios
producidos en las propiedades del material a consecuencia del mismo no dan un cambio apreciable en la microestructura.
Explicado con mayor detalle, al suprimir la carga que ha producido la deformación plástica en un material policristalino no
desaparece toda la deformación elástica debido a que, al no tener todos los cristales la misma orientación cristalina, no se permite
que alguno de ellos retroceda cuando se suprime la carga. Conforme la temperatura aumenta,
se produce un rápido retroceso de estos átomos desplazados
elásticamente.
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Como indicamos con anterioridad, las propiedades mecánicas del materialno
experimentan ningún cambio sustancial durante esta etapa, siendo
la principal aplicación de esta etapa de recuperación el alivio de
las tensiones internas que se producen al deformar un metal.
Si que hay que destacar por el contrario, que tras la etapa de recuperación, propiedades físicas como las
conductividades eléctricas y térmicas se recuperan hasta valores parecidos a los
que presentaba el material antes de ser deformado.
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4.2.2 Recristalización
Si continuamos aumentando la temperatura, conforme se alcanza la temperatura
superior del intervalo de recuperación, aparecen nuevos cristales en la microestructura los cuales tienen
la misma composición, estructura y forma que los granos originales no deformados y que son aproximadamente uniformes en sus
dimensiones (equiaxiales).
La fuerza motriz para producir esta nueva estructura de granos es
la diferencia entre la energía interna del material deformado y el
no deformado.
Los nuevos granos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hasta que
reemplazan completamente al material deformado, proceso en el cual tiene lugar
la difusión de corto alcance. Como acabamos de señalar que los nuevos granos crecen a partir de unos pequeños núcleos, los
procesos de recristalización de los metales deformados en frío pueden emplearse para afinar la
estructura de los granos.
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También durante la recristalización las propiedades mecánicas del metal
deformado son restauradas a los valores previos a la deformación, es decir, el
metal se hace más blando, dúctil, tenaz y menos resistente.
Existen factores importantes que afectan al proceso de
recristalización de los metales y aleaciones como son:
 La cantidad de deformación previa del metal
 La temperatura
 El tiempo
 El tamaño inicial del grano
 La composición del metal o aleación
De esto se deduce que la recristalización de un metal puede producirse en un intervalo de temperaturas dependiente de alguno de
los factores que acabamos de mencionar.
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Generalidades acerca del proceso de recristalización:
 Es necesaria una mínima deformación del metal
 Cuanto más pequeño sea el grado de deformación, más alta la
temperatura necesaria para provocar la recristalización.
 Al incrementar la temperatura para la recristalización, disminuye el
tiempo necesario para completarla.
 Cuanto mayor sea el grado de deformación, más pequeño el tamaño
del grano recristalizado.
 Cuanto mayor sea el tamaño original del grano, mayor será la
deformación requerida para conseguir una temperara de
recristalización equivalente.
 La temperatura de recristalización disminuye al aumentar la pureza
del metal.
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4.2.3 Crecimiento de grano
Los granos pueden seguir creciendo si el material es mantenido a
temperatura elevada. A este fenómeno se le conoce como crecimiento del grano, que no tiene porqué estar
precedido por la restauración y la recristalización, sino que por el mero hecho de someter un material policristalino a temperaturas
elevadas, su grano tenderá a crecer.
Figura 4.6. Representación esquemática del crecimiento de grano por difusión atómica
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Esto se debe a que cuanto más crece el grano, el área total de bordes de grano
disminuye (va disminuyendo el número de granos), produciéndose entonces una disminución de la
energía superficial del sistema, lo que resulta en la fuerza motriz de este fenómeno.
Los granos crecen debido a la migración de los bordes de grano. Como no
todos los granos pueden crecer al mismo tiempo, unos crecen a expensas de otros, aunque el tamaño medio de grano aumenta
con el tiempo y en cualquier instante existirá una gama de tamaños de grano
diferentes.
El movimiento de los bordes de grano, no es más que la difusión a corto
alcance de los átomos de un lado al otro lado del borde. Por tanto, el movimiento de los átomos será el contrario al del
avance del borde de grano como se indica en la figura 4.6.
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4.3 TENSIÓN Y DEFORMACIÓN
oA
F

Figura 4.7. Alargamiento de una varilla metálica sometida a una fuerza de tracción F.
F
l
lol
F
Ao
A
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Definiremos el esfuerzo o tensión nominal al que está sometida la varilla, como
el cociente entre la fuerza de tracción F y la sección transversal original de la
varilla Ao:
La deformación producida en la varilla anterior debido a la
aplicación sobre ella de la fuerza F será:
ol
o
l
l
l
ll 



%deformación = deformación x 100% = %elongación
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Un esfuerzo de tensión z produce una deformación axial +z y una contracción lateral de -
x y -y.
Si el material es completamente
isótropo, -x = -y con lo que podemos escribir la
siguiente relación:
es el coeficiente de Poisson,
que toma el valor para materiales ideales de 0,5. Sin
embargo, en la realidad, el coeficiente de Poisson varía
desde 0,25 hasta 0,4 con un valor promedio en torno al 0,3.
Figura 3.7b. Alargamiento axial y contracciones laterales en respuesta a una
tracción aplicada.
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Esfuerzo cortante y deformación por esfuerzo cortante
El esfuerzo cortante  se relaciona con la fuerza F por la relación:
Deformación por esfuerzo cortante,
, se define como la cantidad de
desplazamiento por cizalla a dividida por
la distancia h sobre la que actúa la cizalla:
Para la cizalla puramente elástica, existe proporcionalidad entre la deformación y
el esfuerzo cortante:
 = G
Donde G es el módulo de elasticidad.
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4.3.1 El ensayo de tracción
El ensayo de tracción es el más habitual para determinar la resistencia de los metales y
aleaciones. Es un ensayo en el que se pretende romper mediante la aplicación de un
esfuerzo de tracción, una probeta a velocidad constante en un periodo relativamente
corto de tiempo.
Figura 4.8. Esquema de un ensayo de tracción.
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La fuerza (carga) sobre la muestra que está siendo analizada se registra al igual que la
deformación medida mediante un extensómetro. De tal modo que al final del ensayo
tendremos un gráfico tensión-deformación como el que se muestra en la figura 4.9.
Figura 4.9. Curva tensión-deformación de una aleación de aluminio
M
Y
E
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Las principales propiedades mecánicas de metales
y aleaciones que son de importancia en ingeniería
para diseño estructural y que pueden obtenerse del
ensayo de tracción son las siguientes:
a) Módulo de elasticidad
b) Límite elástico convencional a 0,2% de desplazamiento
c) Resistencia a tracción
d) Alargamiento hasta rotura
e) Estricción en la rotura
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a) Módulo de elasticidad
Durante la primera parte del ensayo de tracción, la deformación que experimenta el
metal es de naturaleza elástica, es decir, si retiramos la carga a la que está sometida la
probeta, esta volverá a su longitud inicial. Para los metales, la máxima deformación
elástica es normalmente inferior al 0,5%. En general, los metales y aleaciones
muestran una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación en
la región elástica que está descrita por la ley de Hooke:
 (tensión) = E .  (deformación)
O bien:
E = 

Donde E es el módulo de elasticidad o módulo de Young. El módulo de elasticidad,
por tanto, estará relacionado con la fuerza de enlace entre los átomos de un metal o
aleación. Los metales con un alto módulo de elasticidad serán rígidos y no se
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deformarán fácilmente, mientras que cuanto menor sea el módulo de elasticidad de un
material, mayor facilidad presentará este para ser deformado.Fundamentos de la Tecnología de Materiales 29
Límite elástico
Es un valor de gran importancia para el diseño estructural con materiales metálicos ya
que es la fuerza a la que un metal o aleación muestra una deformación plástica
significativa, o dicho de otra manera, el valor de la tensión que puede
soportar un material a partir del cual va a comenzar a
deformarse plásticamente.
Pero como en la mayoría de materiales no existe un punto bien definido de donde
termina el material de deformarse elásticamente y donde comienza la deformación
plástica, el límite elástico se toma como aquella tensión para la que se produce una
cantidad determinada de deformación plástica, normalmente el 0,2 %.
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Los límites elásticos están comprendidos entre 35 MPa para un aluminio de baja
resistencia, hasta valores superiores a los 1500 MPa en aceros de alta resistencia.
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b) Resistencia a tracción
Conforme aumenta la carga aplicada sobre la probeta que estamos ensayando, el
esfuerzo y la deformación se incrementan como lo indica el tramo de la curva YM para
un material dúctil, hasta alcanzar un valor máximo de esfuerzo en el punto M de la
curva. La resistencia a tracción, por tanto, se define
como la carga máxima que es capaz de soportar el
material sin romperse, referida a la sección original
de la pieza.
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c) Resistencia última a rotura
Cuando sometemos a un material dúctil al ensayo de tracción, hasta que llegamos al
punto de esfuerzo máximo M, la deformación que experimenta la pieza o probeta
es uniforme a lo largo de toda ella. Pero a partir de ese punto máximo, la muestra
experimenta una deformación localizada y la carga decrece conforme la sección
disminuye. Esta deformación que presenta la forma de un cuello, no es uniforme y
ocurre rápidamente hasta el punto en que el material falla. La resistencia a rotura
considerando la sección original de la pieza antes del ensayo siempre será menor que
la resistencia a tracción. En el caso de materiales frágiles sin capacidad de
deformarse plásticamente, la resistencia a tracción y la resistencia a rotura
coinciden prácticamente.
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Ductilidad
La ductilidad es una medida del grado de deformación plástica que puede
soportar un material hasta su rotura. Del ensayo de tracción esta propiedad la
podremos determinar a partir de dos mediciones:
- Alargamiento: Se determina juntando, después de haber roto el material, las dos
partes de la pieza y midiendo la distancia entre dos marcas puestas en la pieza antes
de efectuar el ensayo. El alargamiento lo calcularemos de la siguiente forma: A l l
l
f
 0
0
,
donde lf es la longitud final entre las marcas y l0 la inicial.
- Estricción: Se denomina a la disminución de sección que aparece localizada
donde se produce la rotura. Se determina a partir de las mitades rotas de la pieza,
midiendo el área transversal mínima Sr. La expresión que da la estricción , para una
probeta de sección inicial S0 es la siguiente:  
S S
S
r0
0
.
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4.3.2 Curvas reales de tracción
Hasta este momento hemos hablado del ensayo de tracción convencional y
siempre hemos estado relacionando cuando hablamos de resistencia, valores
de cargas divididos siempre por la sección original de la probeta que vamos a
ensayar. Esto no es exacto ya que, como hemos visto, la sección de la
probeta durante un ensayo de tracción no permanece constante sino que
va disminuyendo conforme aumentamos el esfuerzo sobre la misma. A
este tipo de curvas, que son las que realmente tienen una utilidad
práctica se denominan Curvas tensión deformación ingenieriles.
Fundamentos de la Tecnología de Materiales 35
Pero también es interesante, y en ocasiones necesario, determinar en cada
momento la tensión real a la que está sometida la probeta, en relación a la
sección que verdaderamente presenta en cada momento. Y esa es la
dificultad que tenemos, el saber cual es la sección que verdaderamente
presenta la probeta en un momento determinado del ensayo.
Para realizar ese cálculo, en una primera aproximación, podemos suponer
que el volumen del metal se conserva durante la deformación plástica. De
este modo podemos escribir:
S0 . l0 = S . l
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La tensión real r vendrá definida por la relación:
0
0
000
.
.
.
l
ll
S
F
lS
lF
S
F
r


Ahora bien, hemos visto antes que la tensión referida a la sección inicial tenía por valor   F S0
y el
alargamiento referido a la longitud inicial, el siguiente valor:   l l0
de donde resulta que la tensión
real se expresa por la ecuación:
  r  .( )1
Cuando en un momento determinado del ensayo la probeta posea la longitud l, la deformación real
correspondiente a ese alargamiento será:
0
0log
0
0
l
ll
l
dl
ll
l
r

 


De donde:
r = log (1 + )
Por lo que a través de esta expresión puede pasarse de la curva ingenieril a la real.
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Figura 4.10. Representación esquemática de la diferencia existente entre las curvas tensión-deformación ingenieril y real.


Curva ingenieril
Curva real
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4.4DUREZA
La dureza es una medida del material a ser deformado plásticamente.
Normalmente, esta propiedad se mide forzando con un penetrador su
superficie, el cual generalmente está fabricado de un material mucho más duro que el material a ensayar y puede tener
forma de esfera, pirámide o cono.
Debido a las características de este ensayo, se puede determinar experimentalmente una
relación entre dureza y resistencia para un determinado material, por lo que
el ensayo de dureza se utiliza con gran frecuencia en la industria para control de
calidad ya que puede no ser destructivo y es más simple que el de tracción.
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En la figura 4.11 se recogen los tipos de penetradores y huellas asociados a los cuatro ensayos más
comunes de dureza: Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop.
Figura 4.11. Diferentes ensayos de dureza.
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4.5FLUENCIA
La fluencia o creep es el fenómeno de aumento constante de la
deformación en el tiempo, que se produce en todos los materiales,
sometidos a una carga, cuando la temperatura es lo suficientemente
elevada.
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En la figura 4.12 se representa la forma típica de una curva de fluencia, es decir, la variación de la
deformación con el tiempo, que experimenta una probeta sometida a una carga y temperatura constantes. En ella se
pueden distinguir las cuatro zonas clásicas:
i) Deformación prácticamente instantánea OA, que será solamente
elástica si no se ha rebasado el límite elástico del material.
ii) Una primera etapa AB en que la velocidad de deformación disminuye
con el tiempo.
iii) Una segunda etapa en que la velocidad de fluencia se hace mínima y
permanece constante.
iv) Una tercera etapa en que la velocidad de fluencia aumenta
rápidamente, hasta que finalmente se produce la rotura
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Figura 4.12. Curva típica de fluencia de un metal o aleación.
Fundamentos de la Tecnología de Materiales 43
En general es difícil determinar la temperatura que corresponde a una velocidad de fluencia nula, sin embargo puede
afirmarse que para temperaturas superiores a la mitad de la de fusión
todos los materiales metálicos presentan velocidades de fluencia
importantes.
Las características tecnológicas más importantes que pueden determinarse a través de los ensayos de fluencia son, la
deformación en un tiempo dado y el tiempo al cabo del cual se produce
la rotura.
En ambos casos interviene un nuevo parámetro, el tiempo, que normalmente no se tiene en cuenta en
estructuras destinadasa trabajar a temperatura ambiente y que aquí es de una
importancia decisiva.
En algunos casos, cuando no es preciso limitar la deformación, la carga de rotura en tiempo dado
fija los esfuerzos admisibles en la pieza.