Módulo de Young (módulo de elasticidad)

Descripción general

El módulo de Young ($E$) cuantifica la rigidez de un material en el régimen elástico — la relación entre la tensión y la deformación. Un $E$ mayor significa que el material se deforma menos bajo carga. Los metales estructurales típicos varían entre 70–215 GPa, mientras que los polímeros pueden ser órdenes de magnitud menores.

El módulo de Young se aplica solo dentro del límite proporcional (elástico) de la curva tensión-deformación. Más allá del límite elástico, la relación se vuelve no lineal y comienza la deformación permanente.

Fórmulas clave

Ley de Hooke (tensión-deformación uniaxial):

$E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$

Elongación o compresión axial:

$\Delta L = \frac{F \cdot L}{A \cdot E}$

Tensión a partir de fuerza y área:

$\sigma = \frac{F}{A}$

Deformación a partir del cambio en longitud:

$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}$

Variables

Valores a temperatura ambiente

Efectos de la temperatura en el acero (ASME B31.1)

El módulo de Young disminuye con el aumento de temperatura. Los siguientes datos, derivados de ASME B31.1-1995, muestran esta tendencia para aceros estructurales y de tuberías comunes. Todos los valores convertidos de 10⁶ psi a GPa (1 × 10⁶ psi = 6.895 GPa).

Para la tabla completa con temperaturas más altas, gire las pantallas estrechas horizontalmente. Puede usar el conversor de unidades de presión a continuación para cambiar entre unidades del módulo de elasticidad.

Calculadora de elongación

Convertidor de Unidades

Tablas de Fuente Original Restauradas

Las siguientes tablas están restauradas de la página de fuente original para preservar los datos de referencia completos.

Metales y Aleaciones - Módulo de Young de Elasticidad

Imágenes de fuente original

El diagrama de fuente original se conserva, y la tendencia de temperatura del acero también se representa en el gráfico interactivo de arriba.

Notas de Ingeniería

• Solo región elástica. El módulo de Young es significativo solo por debajo del límite de proporcionalidad. Más allá del límite elástico, utilice módulos tangentes o secantes.
• Materiales anisotrópicos. Los compuestos, la madera y los metales laminados pueden tener valores de $E$ significativamente diferentes en distintas direcciones. Los valores anteriores asumen un comportamiento isótropo.
• Desclasificación por temperatura. A temperaturas elevadas, todos los aceros pierden rigidez — aproximadamente un 5–10 % a 200 °C y 10–15 % a 300 °C con respecto a la temperatura ambiente. Considere esto en diseños de servicio en caliente sensibles a la deformación.
• Variabilidad en polímeros. El valor de $E$ para plásticos es altamente dependiente de la velocidad y la temperatura. Los valores dados son módulos a corto plazo aproximados a temperatura ambiente.
• Consistencia de unidades. La fórmula de elongación requiere unidades consistentes. Un error común es mezclar N, mm y GPa sin la conversión adecuada (vea la calculadora anterior para un ejemplo funcional).
• Módulo dinámico vs. estático. Los métodos de frecuencia de resonancia (dinámicos) pueden arrojar valores un 5–15 % más altos que las pruebas de tracción estáticas para el mismo material.

Referencias

• Engineering ToolBox — Módulo de Young de Elasticidad para Metales
• ASME B31.1-1995, Tuberías para Potencia