Los ingenieros, sin darse cuenta, cometen errores en el diseño del producto al determinar y seleccionar su resistencia. A veces, los productos fallan debido a una rotura por cizallamiento, mientras que se presta mayor atención a la resistencia a la tracción y al límite elástico. Los distintos materiales utilizados en el desarrollo del producto pueden fallar debido a un diseño insuficiente en cuanto a las diferentes resistencias. Por ejemplo, mientras que superar la resistencia al rendimiento puede provocar la deformación plástica de la carcasa, un inserto roscado puede fallar debido a una resistencia al corte insuficiente. Del mismo modo, cuando los soportes metálicos alcanzan su resistencia a la tracción, se fracturan. Estos casos demuestran que los distintos materiales presentan diferentes tipos de resistencia, lo cual debe tenerse en cuenta en el diseño y el desarrollo del producto. Pero, ¿existe una diferencia clara entre estas tres propiedades? Esta guía describe cada una de ellas, muestra en qué se diferencian entre sí y analiza su medición y ensayo.
¿Qué son la resistencia a la tracción, el límite elástico y la resistencia al cizallamiento?
Es probable que la mayoría de la gente malinterprete estos términos debido a su estrecha relación. De hecho, quienes no pertenecen a los ámbitos de la física, la mecánica y la ingeniería a veces piensan que son lo mismo. Sin embargo, estos términos describen mecanismos de fallo distintos. Analicemos cada uno de ellos.
¿Qué es la resistencia a la tracción?
La resistencia a la tracción es una de las propiedades mecánicas que no se pueden pasar por alto en las aplicaciones industriales. Esta propiedad tiene un impacto fundamental en la seguridad y el rendimiento de los distintos materiales utilizados en la fabricación de diversos productos.
Esta propiedad se puede observar en las actividades cotidianas. Por ejemplo, una grúa puede levantar una carga pesada utilizando un cable de acero fino sin que este se rompa. Esto se debe a que el cable tiene una resistencia a la tracción muy elevada. Supongamos que la carga supera la resistencia a la tracción del cable de acero; el cable se fracturará y se romperá, lo que provocaría víctimas.
Definición y unidades
La resistencia a la tracción se define como la tensión máxima que un material puede soportar antes de romperse o fracturarse. Se calcula dividiendo la fuerza de tracción máxima entre el área de la sección transversal original de una probeta. Se basa en el principio de que, cuando aumenta la tensión en un material, los enlaces entre sus átomos se estiran y, finalmente, se rompen.
Un material adquiere elasticidad cuando se le aplica una tensión. Cuando se elimina la tensión, recupera su forma original. Sin embargo, a medida que la tensión sigue aplicándose, el material entra en la región plástica. En esta región, la estructura atómica o molecular interna del material sufre un deslizamiento permanente (provocado por el movimiento de dislocaciones en los metales cristalinos o por el desenredamiento de las cadenas moleculares en los polímeros), y resulta imposible que el material recupere su forma original. [1].
La resistencia a la tracción se mide en megapascales (N/mm²). En la siguiente tabla se resumen las demás unidades relacionadas.
| Unidad | Uso habitual |
|---|---|
| MPa | Se utiliza sobre todo en ingeniería y fabricación |
| Psi | Común en Estados Unidos |
| Ksi | Se utiliza con frecuencia para los metales en la ingeniería estadounidense |
1 MPa ≈ 145 psi
1 ksi = 6,895 MPa
Fórmula para calcular la resistencia a la tracción
Resistencia a la tracción (S) viene dada por:;
S = F / A
Donde F es la fuerza de tracción aplicada, expresada en N o lbf. A es el área de la sección transversal original de la probeta (mm², m² o in²).
La resistencia máxima a la tracción que alcanza un material durante la aplicación de carga se denomina resistencia máxima a la tracción (UTS). Una vez alcanzada y superada la UTS, el material comienza a estrangularse. A medida que se aumenta la carga, el estrangulamiento se acelera hasta que el material se rompe. La UTS viene dada por:,
UTS = Fmax/A0
Dónde Fmax es la fuerza máxima que se puede soportar antes de que se produzca la rotura, y A0 es el área transversal original antes de la carga.
Medición de la resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción se puede medir realizando ensayos de tracción con una máquina de ensayo universal (UTM). A veces, la UTM se denomina «máquina de ensayo de tracción».
El proceso comienza con la preparación de una probeta estándar. En el caso de los plásticos, el material se moldea en forma de probeta en forma de hueso de perro, mientras que para los metales se mecaniza una probeta cilíndrica. Antes del mecanizado, se mide el área de la sección transversal original A0.
Tras la preparación, la probeta se sujeta en la máquina de ensayo de tracción (UTM). Se deja que la máquina someta a tracción las probetas a una velocidad controlada. A medida que la máquina sigue sometiendo a tracción la probeta, se van registrando los datos, que incluyen la fuerza y el alargamiento correspondiente. Se puede interpretar el comportamiento del material observando la curva de tensión-deformación generada por la máquina. A continuación, se puede calcular la resistencia a la tracción (S) tal y como se muestra en la fórmula anterior.
¿Qué es el límite elástico?
El límite elástico y la resistencia a la tracción son conceptos relacionados. En el caso de los materiales dúctiles, el material alcanza su límite elástico antes de alcanzar su resistencia máxima a la tracción. Sin embargo, los materiales frágiles suelen fracturarse antes de que se produzca una deformación plástica significativa.
El límite elástico es el umbral de tensión en el que los materiales pasan de un comportamiento elástico (deformación reversible) a un comportamiento plástico (deformación permanente). Se mide en megapascales (MPa).
Tomemos, por ejemplo, el caso de cuando tiras lentamente de ambos extremos de un clip. Al principio, el clip se estira ligeramente. Cuando dejas de tirar, el clip vuelve a su posición original. Si sigues tirando con más fuerza y luego dejas de hacerlo, el clip no recupera su posición original. En ese momento, decimos que el clip ha alcanzado su límite elástico. Técnicamente, se dice que el clip, en este estado, ha sufrido una deformación permanente sin romperse.
Mediciones del límite elástico
Antes de abordar los métodos para medir el límite elástico, es fundamental comprender los conceptos derivados que intervienen en su cálculo. Uno de estos conceptos es la tensión (σ). Se trata de la cantidad de fuerza por unidad de superficie a la que se ve sometido un material. Se calcula mediante la siguiente fórmula:,
σ = F/A,
Donde F es la fuerza aplicada y A es el área de la sección transversal. La tensión máxima se produce cuando se aplica una fuerza máxima a una superficie muy reducida.
El segundo término es la deformación (ε). Se trata de la capacidad del material para estirarse o comprimirse con respecto a su tamaño original. Viene dada por:,
ε = ΔL/L₀,
Donde ΔL es la variación de longitud y L₀ es la longitud inicial.
El módulo de Young (E) nos indica el grado de rigidez de un material. Un valor elevado de E significa que el material apenas se deforma bajo carga, como ocurre con el acero en comparación con el caucho. Se calcula mediante la fórmula:
E = σ/ε
Un material mantendrá un comportamiento lineal en la relación tensión-deformación, conforme a la ley de Hooke, hasta que alcance el límite elástico, el umbral exacto en el que la tensión aplicada supera de forma permanente las fuerzas interatómicas que mantienen la red cristalina del material en su estado elástico. [2].
Se dice que un material es rígido si se resiste a la deformación. Estos materiales presentan el módulo de Young más elevado. Sin embargo, esto no significa que tengan el límite elástico más alto. Un buen diseño de ingeniería debe equilibrar siempre estas propiedades. Para profundizar en las diferencias entre la rigidez, la resistencia global y la dureza, consulta nuestra guía completa sobre [Resistencia, rigidez y dureza].
¿Qué es la resistencia al corte?
Antes de abordar la resistencia al corte, es importante comprender qué es la fuerza de corte. La fuerza de corte es la fuerza interna que actúa en paralelo a una superficie, tratando de hacer que una parte de dicha superficie se deslice o se deforme con respecto a otra.
La resistencia al cizallamiento es la capacidad de un material para resistir las fuerzas que pueden provocar que la estructura interna se deslice contra él. A medida que se aplican las fuerzas de cizallamiento, la superficie del material tenderá a deslizarse y deformarse. La resistencia al cizallamiento es esencial en diversas aplicaciones de ingeniería en las que los materiales se ven sometidos a fuerzas laterales.
La resistencia al corte desempeña un papel fundamental en el diseño y el análisis de estructuras como vigas, pilares y uniones. Garantizar una resistencia al corte adecuada evita fallos estructurales y aumenta la durabilidad de las construcciones.
La resistencia al corte también se observa en situaciones cotidianas. En un puente de acero, los pernos que unen los elementos estructurales están sometidos principalmente a cargas de corte. Si la carga es excesiva, los pernos pueden romperse por corte, lo que permite que las placas unidas se separen. Esta resistencia también se aplica al corte de pernos. La fuerza de corte se aplica en la dirección opuesta. Estas fuerzas opuestas provocan que el material ceda a lo largo de un plano en lugar de estirarse. La capacidad del perno para resistir estas dos fuerzas opuestas es la resistencia al corte.
Medición y ensayo de la resistencia al corte
Los ensayos de cizallamiento se utilizan habitualmente en la ciencia de los materiales, la ingeniería y otros muchos sectores para evaluar la idoneidad de un material para aplicaciones específicas.
En los ensayos de cizallamiento, se coloca una muestra de material entre dos superficies paralelas y se aplica una fuerza hasta que el material sufre una rotura por cizallamiento. El parámetro clave que se mide es la tensión de corte, que se calcula dividiendo la fuerza aplicada por el área de la sección transversal del material. El resultado puede aportar información sobre la durabilidad, la resistencia y el comportamiento del material en condiciones de esfuerzo reales.
¿Cuáles son los valores típicos de resistencia a la tracción, al límite elástico y al cizallamiento?
La siguiente tabla resume la resistencia a la tracción, el límite elástico y la resistencia al cizallamiento de diferentes materiales. Estos valores de referencia se han obtenido estrictamente a partir de protocolos normalizados de ensayo a temperatura ambiente (como la norma ASTM E8 para metales y la norma ASTM D638 para plásticos). [3].
| Material | Resistencia a la tracción (MPa) | Límite elástico (MPa) | Resistencia al corte (MPa) |
|---|---|---|---|
| Aluminio 6061-T6 | 310 | 276 | 207 |
| Aluminio 7075-T6 | 572 | 503 | 331 |
| Acero inoxidable 304 | 515 | 215 | 310 |
| Acero al carbono A36 | 400–550 | 250 | 250 |
| Latón C360 | 338 | 124 | 207 |
| ABS | 40–50 | 35–45 | 25–35 |
| Policarbonato | 60–70 | 60–65 | 40–50 |
| Nylon 6 | 70–90 | 65–80 | 45–60 |
| PEEK | 90–100 | 90–97 | 55–70 |
Referencia
[1] Meyers, M. A. y Chawla, K. K. (2008). Comportamiento mecánico de los materiales (2.ª ed.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947
[2] Pelleg, J. (2012). Propiedades mecánicas de los materiales. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7
[3] ASM International. (1990). Manual de la ASM, volumen 2: Propiedades y selección: Aleaciones no ferrosas y materiales para fines especiales. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627
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