¿Qué es la resistencia máxima a la tracción?

La resistencia es una de las propiedades básicas de los materiales, que generalmente se refiere a su capacidad para resistir la deformación o rotura bajo fuerzas externas. Existen muchos tipos de fuerzas externas, como la fuerza de tracción, la fuerza de compresión, etc. Por consiguiente, los materiales también presentan resistencia a la tracción, límite elástico, resistencia a la compresión y otras características. En aplicaciones como la fabricación mecánica, la ingeniería de estructuras y la construcción de puentes, la resistencia a la tracción es un indicador importante utilizado por investigadores, ingenieros y equipos de control de calidad para evaluar las propiedades mecánicas de materiales y productos.

En este artículo, HYT le presentará el concepto, el método de cálculo, la aplicación y muchos otros aspectos de la resistencia a la tracción. Utilizará una combinación de explicaciones populares y científicas rigurosas para que quienes se inician en la industria de los materiales también puedan comprender los conocimientos relevantes.

Al final del artículo se adjunta una tabla de resistencia a la tracción y resistencia máxima a la tracción de materiales comunes.

¿Qué es la resistencia máxima a la tracción?

En términos sencillos, en la vida diaria, todos hemos intentado romper una banda elástica con las manos. Tras aplicar una fuerza de tracción suficiente, la banda se rompió en dos. Esto se debe principalmente a que la fuerza de tracción aplicada con las manos sobre la banda superó el límite de resistencia del material de la banda, lo que finalmente provocó su rotura. Este fenómeno indica que la tensión sobre la banda elástica durante el estiramiento excede su resistencia máxima a la tracción, lo que finalmente provoca su fractura. Por lo tanto, la resistencia máxima a la tracción (UTS) se refiere a la tensión máxima que un material puede soportar durante el proceso de estiramiento antes de romperse.

Materiales dúctiles y materiales frágiles

Antes de discutir los tipos de resistencia a la tracción, necesitamos explicar dos conceptos, materiales dúctiles y materiales frágiles.

Los materiales dúctiles tienen un límite elástico definido. Al alcanzarlo, pasan de deformación elástica a deformación plástica. Tras alcanzar la resistencia máxima a la tracción, continúan deformándose, lo que produce estrangulamiento. Metales como el acero, las aleaciones de aluminio y el cobre son materiales dúctiles.

Los materiales frágiles no tienen un límite elástico definido. No se deforman bajo tensión de tracción ni sufren deformación plástica. Tras alcanzar la resistencia máxima a la tracción, se rompen directamente, y la superficie fracturada suele ser granular. Materiales como la cerámica, el vidrio y algunos aceros aleados endurecidos de alta resistencia pertenecen a esta categoría.

Tipos de resistencia a la tracción

El material experimenta múltiples etapas de deformación antes de estirarse hasta la fractura, y cada etapa de deformación corresponde a diferentes propiedades mecánicas, por lo que se pueden medir diferentes tipos de resistencia a la tracción. Los materiales metálicos son dúctiles, pero sus cambios de deformación antes de la fractura no son muy evidentes. Para facilitar la comprensión y la imaginación, se utilizan bandas elásticas con grandes cambios de deformación como ejemplo para ilustrar los tipos de resistencia a la tracción, y también se ilustran los cambios de los metales en las etapas correspondientes.

Etapa 1: Límite proporcional

Al tirar de la banda elástica por primera vez, la tensión aplicada es relativamente pequeña. En este momento, la tensión sobre la banda elástica es proporcional a la longitud real de elongación por deformación. En pocas palabras, a mayor fuerza aplicada, mayor será la longitud de la banda elástica. En otras palabras, la curva de tensión-deformación de la banda elástica es aproximadamente lineal dentro de un cierto rango (de acuerdo con la Ley de Hooke), es decir, la tensión y la deformación son proporcionales. En este momento, mientras la soltemos, la banda elástica puede... completamente restaurado a su estado original. En esta etapa, el material sufre deformación elástica, y la deformación de la banda elástica es reversible.

En el caso de los materiales metálicos, dentro del límite proporcional, cumplen con la Ley de Hooke y su curva de tensión-deformación es lineal. Además, el metal solo experimenta deformación elástica en esta etapa y puede volver a su estado original tras retirar la fuerza aplicada.

Etapa 2: Límite elástico

Seguimos aplicando mayor fuerza para estirar la banda elástica, y observaremos que, cuando se estira lo suficiente, incluso si la soltamos, no puede recuperar su longitud original y se alarga permanentemente. Esto significa que la banda elástica ha sufrido... deformación plástica y ha producido una deformación permanente. Si aplicamos una fuerza mayor que la anterior cada vez, la propia banda elástica producirá más irreversible deformación y se hará cada vez más larga.

En los materiales metálicos, esta etapa corresponde al límite elástico. A partir de la deformación elástica, podemos obtener el valor mínimo de tensión para que el material entre en deformación plástica. Los metales generalmente tienen un límite elástico claro, y una vez superado, el material no puede volver a su estado original, incluso si se elimina la fuerza externa.

Etapa 3: Resistencia máxima a la tracción

A continuación, seguimos aumentando la tensión de la banda elástica y observamos que el material ha comenzado a adelgazarse localmente. Este fenómeno indica que la banda elástica se ha acercado a la tensión máxima que puede soportar durante el proceso de estiramiento. En este punto, también podemos medir la resistencia a la tracción.

En los materiales metálicos, la UTS representa la tensión máxima que el metal puede soportar. Tras alcanzar la UTS, el metal experimentará el fenómeno de estrangulamiento, es decir, una zona del material se adelgazará y se convertirá en el punto de inicio de la fractura. Aunque el metal no se ha roto completamente en este momento y la deformación continúa, su capacidad portante ha comenzado a disminuir.

Etapa 4: Resistencia a la fractura

Si se aumenta aún más la fuerza, la banda elástica acabará rompiéndose, ya que no puede soportar la mayor fuerza de tracción. El valor de la tensión en el momento de la fractura es la resistencia a la fractura que queremos medir.

En materiales metálicos, la resistencia a la fractura se refiere al valor de tensión que soporta el material en el momento de la fractura. En materiales frágiles, la resistencia a la fractura se acerca a la UTS. En materiales dúctiles, debido al fenómeno de estrangulación, la resistencia a la fractura suele ser inferior a la UTS.

Límite de resistencia y fuerza de fatiga

Además de las cuatro resistencias a la tracción mencionadas anteriormente, también existen la resistencia a la fatiga y el límite de resistencia.

Ambos se utilizan para describir la tensión máxima que un material puede soportar bajo cargas cíclicas. La diferencia radica en que la resistencia a la fatiga indica la tensión máxima a la que un material no sufrirá falla por fatiga. bajo un número determinado de ciclos, y la resistencia a la fatiga disminuye con el aumento del número de ciclos; mientras que el límite de resistencia indica la tensión máxima a la que no se producirá falla por fatiga. bajo un número infinito de cargas cíclicas, por lo que el límite de resistencia también se llama límite de fatiga.

Según el diagrama de la curva SN, si el material tiene un límite de resistencia a la fatiga, la resistencia a la fatiga se estabilizará a medida que aumenta el número de ciclos. Si el material no tiene límite de resistencia a la fatiga, la resistencia a la fatiga seguirá disminuyendo a medida que aumenta el número de ciclos.

Cómo calcular y medir la resistencia máxima a la tracción

Fórmula de cálculo para UTS

En el artículo anterior, explicamos que la UTS se refiere a la tensión máxima de tracción que un material puede soportar en un ensayo de tracción. Por lo tanto, la fórmula para calcular la UTS es

Resistencia a la tracción (σ) = fuerza de tracción máxima (F) / área de la sección transversal de la muestra (A)

$\sigma = \frac{F_{\text{máx}}}{A_0}$

Dónde $F_{\text{máx}}$ es la fuerza de tracción máxima cuando el material se rompe en una prueba de tracción (unidad: N).

$A_0$ es el área de la sección transversal original del material (unidad: mm²).

En el Sistema Internacional de Unidades, la resistencia a la tracción se expresa en Pascales o Megapascales (MPa), que equivalen a Newtons por metro cuadrado (N/m²).

En el Sistema Americano de Unidades, la resistencia a la tracción se expresa en libras por pulgada cuadrada (lbf/in² o psi).

En el sistema imperial, la resistencia a la tracción se expresa en kilolibras por pulgada cuadrada (ksi).

La relación de conversión entre ellos es

1 MPa = 1 N/mm² = 0,145 ksi = 145 psi

Medición UTS

La UTS de los materiales metálicos generalmente se mide mediante pruebas de tracción, y la resistencia a la tracción de los materiales se mide de acuerdo con normas internacionales como ASTM E8 e ISO 6892.

Preparación de la muestra

Prepare probetas metálicas de forma estándar según la norma de ensayo, generalmente cilíndricas o con forma de mancuerna. La superficie de la probeta metálica debe ser lisa y sin defectos.

Selección de equipos

Las pruebas de tracción generalmente se llevan a cabo utilizando una máquina de pruebas universal (UTM), que generalmente está equipada con un sistema hidráulico para garantizar que la máquina pueda proporcionar una gran fuerza de tracción.

Proceso de prueba

Primero, sujete la muestra de metal en el accesorio de la máquina de prueba y aplique gradualmente una fuerza de tracción de acuerdo con la tasa de deformación requerida por las normas internacionales como ASTM E8 e ISO 6892. Use un extensómetro o un sensor de desplazamiento para medir el cambio de deformación de la muestra y registre la fuerza aplicada al mismo tiempo.

Determinar UTS

Finalmente, obtendremos una curva de fuerza-desplazamiento. Mediante esta gráfica, podemos obtener los valores de resistencia a la tracción del material en tres etapas: deformación elástica, deformación plástica y fragmentación final.

Puede ver el video de prueba de tracción de acero inoxidable a continuación producido por Solid Mechanics UCL MechEng para ver el cambio en la resistencia a la tracción del material en tres etapas.

A través de este vídeo también podemos comprobar la afirmación anterior de que los materiales dúctiles como los metales tienen un punto de fluencia claro, que es la tensión en la cual el material comienza a deformarse plásticamente o irreversiblemente.

¿Por qué es importante la resistencia a la tracción?

La resistencia a la tracción, especialmente la UTS, es fundamental. Determinar el rango específico de UTS de diferentes materiales puede ayudar a los ingenieros a determinar si el material es adecuado para aplicaciones y proyectos específicos.

Aeroespacial

En la industria aeroespacial, las aeronaves deben soportar fuertes cargas aerodinámicas al volar a gran altitud. Durante el vuelo, la distribución desigual de la presión del aire sobre la superficie de la aeronave provoca tensiones de tracción en el fuselaje y las alas. Además, cualquier movimiento del fuselaje durante el vuelo genera tensiones de tracción en los componentes estructurales debido a la fuerza centrífuga y las cargas dinámicas. Además, el entorno de gran altitud presenta temperaturas relativamente bajas, por lo que el material puede generar tensiones internas debido a la expansión y contracción térmica, lo que a su vez agrava el efecto de tracción.

Por lo tanto, a menudo utilizamos materiales de aleación de titanio de alto UTS (Ti-6Al-4V) para fabricar productos relacionados con aeronaves, como estructuras de fuselaje de aeronaves, componentes del tren de aterrizaje, palas de motor, etc., que pueden permitir que la aeronave ejerza plenamente su rendimiento al tiempo que garantizan la seguridad del vuelo;

Construcción de puentes

La ingeniería de construcción de puentes es una aplicación muy común en nuestra vida diaria. Los puentes deben soportar cargas de tráfico a diario, especialmente algunos puentes con vanos muy largos. Los cables de suspensión o los cables inclinados de los puentes estarán sometidos continuamente a fuerzas de tracción. Al mismo tiempo, algunos puentes pueden verse afectados por fuertes vientos o incluso terremotos durante un período prolongado debido a sus factores geográficos. Estos factores externos imponen tensiones de tracción en la estructura del puente.

Por lo tanto, a menudo utilizamos aceros de aleación UTS altos, como AISI 4140, para producir los cables principales y los cables de suspensión de los puentes, lo que puede garantizar la estabilidad y seguridad a largo plazo de los puentes;

Fabricación de automóviles

La industria automotriz también es un campo de aplicación para materiales con alta resistencia a la tracción (UTS). Durante la conducción, el chasis y el bastidor se someten a la fuerza de impacto del suelo y a efectos de tracción periódicos; cuando un vehículo acelera o frena bruscamente a alta velocidad, las piezas estructurales se someten a tensiones de tracción causadas por cargas dinámicas.

Por lo tanto, utilizaremos aceros de ultra alta resistencia como AHSS para producir marcos de automóviles, pilares B y vigas de umbral de puerta, y usaremos aluminio 7075 para producir soportes de motor y sistemas de suspensión, que pueden garantizar la firmeza y estabilidad de la estructura de la carrocería y extender la vida útil del automóvil.

Ventajas y desventajas de los materiales de alta resistencia a la tracción

Después de explicar las aplicaciones de los metales con mayor resistencia a la tracción en el apartado anterior, podemos ver claramente que estos metales tienen las siguientes ventajas:

Fuerte capacidad de carga

La aleación de tungsteno es un metal con una resistencia a la tracción ultra alta y alta densidad, y se utiliza a menudo en entornos de alto estrés, como herramientas de alto rendimiento, balas perforantes y componentes de motores de aeronaves;

Buena durabilidad

La aleación de titanio Ti-6Al-4V es reconocida como un metal con una excelente relación resistencia-peso, con una resistencia a la corrosión y resistencia a la tracción extremadamente altas, y se usa ampliamente en implantes aeroespaciales y biomédicos y otras aplicaciones;

Buena resistencia al impacto

17-4PH es un material de acero inoxidable con alta resistencia a la tracción, que puede soportar cargas de alto impacto sin romperse y se utiliza en expertos militares, estructuras portantes, equipos industriales y otras aplicaciones;

Alta eficiencia de utilización de materiales

El acero AISI 4140 posee una alta resistencia a la tracción. Con el mismo peso, ofrece mayor rigidez que los metales comunes. Por lo tanto, los chasis de motocicletas y de competición de alto rendimiento fabricados con este acero pueden adoptar diseños estructurales relativamente más ligeros y compactos. Al reducir la masa del chasis y, por lo tanto, la masa del vehículo, se mejora el consumo de combustible, se reduce la carga del chasis sobre los sistemas de suspensión y frenos, y se mejora la vida útil y el rendimiento del vehículo.

Pero, por otro lado, también debemos ver el otro lado de los materiales metálicos de alta resistencia a la tracción.

Tiene una gran capacidad de carga, pero también significa que el material es frágil.

Aunque la aleación de tungsteno tiene una resistencia a la tracción extremadamente alta, tiene poca tenacidad y es propensa a fracturas frágiles, por lo que no es adecuada para estructuras elásticas;

Buena durabilidad, pero difícil de procesar y alto costo de procesamiento.

La aleación de titanio tiene alta dureza y alta resistencia a la tracción, por lo que se requiere una tecnología de procesamiento especial, y su costo y dificultad de procesamiento son mucho mayores que los del acero;

Buena resistencia al impacto, pero alta densidad y peso.

Aunque el acero inoxidable 17-4PH tiene alta resistencia y excelente tenacidad al impacto, su densidad es mucho mayor que la de la aleación de titanio y no es adecuado para aplicaciones que requieren peso ligero;

Alta eficiencia de utilización del material, pero altos costos de soldadura y conformado.

Si bien el acero al cromo-molibdeno tiene una mayor resistencia que puede reducir el consumo de material y la frecuencia de mantenimiento del marco, su material es más duro y la soldadura inicial y el conformado por doblado son más difíciles, lo que conduce directamente a mayores costos de producción.

Resumen

En resumen, la resistencia máxima a la tracción es un atributo clave en la ciencia de los materiales, que indica la tensión máxima que un material puede soportar antes de romperse. Esta propiedad también es un indicador de referencia importante para que HYT seleccione materiales para los proyectos de sus clientes. Si su proyecto también presenta dificultades en la selección de materiales, póngase en contacto directamente con el equipo técnico de HYT. Nuestros técnicos le ofrecerán la solución de materiales más rentable que mejor se adapte a las necesidades de su proyecto.

Resistencia a la tracción y resistencia máxima a la tracción de materiales comunes

Los siguientes valores se toman de Wikipedia y son sólo de referencia.

Materiales dúctiles

Rieles
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Cobre 99.9% Cu	70	220	8.92
Aleación de aluminio 6061-T6	241	300	2.7
Cuproníquel 10% Ni, 1.6% Fe, 1% Mn, saldo Cu	130	350	8.94
Acero, acero estructural ASTM A36	250	400–550	7.8
Berilio 99.9% Be	345	448	1.84
Aleación de aluminio 2014-T6	414	483	2.8
Latón	200 +	500	8.73
Acero, API 5L X65	448	531	7.8
Acero inoxidable AISI 302	275	620	7.86
Acero, aleación de alta resistencia ASTM A514	690	760	7.8
Acero, 1090	247	841	7.58
Acero al cromo-vanadio AISI 6150	620	940	7.8
Acero, AISI 4130, templado en agua a 855 °C (1570 °F), revenido a 480 °C (900 °F)	951	1,110	7.85
Tungsteno	941	1,510	19.25
Cable de registro de acero, alambre de precisión Sandvik Sanicro 36Mo	1,758	2,070	8
Acero, AerMet 340	2,160	2,430	7.86
Acero, acero maraging 2800	2,617	2,693	8
Compuestos
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Compuestos de nanotubos de carbono	—	1,200	—
Dientes de rótula vulgata de lapa (nanocompuesto de bigotes de goethita)		4900 3.000–6.500
Película de nanotubos de carbono de alta resistencia	—	9,600	—
Polímeros
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Goma	—	16
Polietileno de alta densidad (HDPE)	26–33	37	0.85
Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS)	43	43	0,9–1,53
Polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE)	24	52	0.97
Polipropileno	12–43	19.7–80	0.91
Nailon moldeado, 6PLA/6M		75-85	1.15
Fibra de nailon, estirada		900	1.13
Fibras naturales
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Pelo humano	140–160	200–250	1.32
Fibra de bambú		350–500	0,4–0,8
Seda de araña		1,000	1.3
Seda de araña, araña de corteza de Darwin	1,652
Seda de gusano de seda	500		1.3
Fibras sintéticas
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Aramida (Kevlar o Twaron)	3,620	3,757	1.44
Polibenzoxazol (Zylon)	2,700	5,800	1.56
Fibras de UHMWPE (Dyneema o Spectra)		2.300–3.500	0.97
Vectran		2.850–3.340	1.4
Materiales a base de carbono
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Grafeno	—	intrínseco 130.000; ingeniería 50.000–60.000	1
Primeras cuerdas de nanotubos de carbono		3,600	1.3
nanotubos de carbono	—	11.000–63.000	0,037–1,34

Materiales frágiles

Cerámica y vidrio
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Vidrio recocido		41	2.53
Hilos de fibra óptica de vidrio de sílice ultrapuro		4,100
Zafiro (Al2O3)	400 a 25 °C, 275 a 500 °C, 345 a 1.000 °C	1,900	3.9–4.1
nanotubo de nitruro de boro	—	33,000	2.62
Diamante	1,600	2800 ~80.000–90.000 a microescala	3.5
Vidrio electrónico	—	1.500 para laminados, 3.450 solo por fibras	2.57
Vidrio S	—	4,710	2.48
Minerales y piedras
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
fibra de basalto	—	4,840	2.7
Mármol	—	15	2.6
Concreto	—	2–5	2.7
Materiales duros
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Hierro fundido 4.5% C, ASTM A-48	130	200	7.3
Aleación de metal líquido	1,723	550–1.600	6.1
Boro	—	3,100	2.46
Silicio monocristalino (m-Si)	—	7,000	2.33
Compuesto
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Compuesto epoxi S-Glass	2,358	2,358
Laminado de poliéster y fibra cortada 30% E-glass	100	100
Materiales a base de carbono
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Fibra de carbono	—	1.600 para laminados, 4.137 solo para fibras	1.75
Fibra de carbono (Toray T1100G) (la fibra sintética más resistente)		7.000 fibras solamente	1.79
Polímeros
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Lámina de acrílico transparente (PMMA)	72	87	1.16
Adhesivo epoxídico	—	12–30	—
Resina de poliéster (sin reforzar)	55	55
Materiales naturales
Material	Límite elástico (MPa)	Resistencia máxima a la tracción (MPa)	Densidad (g/cm3)
Hueso (extremidad)	104–121	130	1.6

Referencia

Resistencia máxima a la tracción – Wiki

Introducción