Resistencia a la Tracción Explicada: Definiciones Clave, Importancia, Tipos y Ejemplos Reales

Para fabricantes, la resistencia a la tracción es una de las primeras cosas necesarias al elegir un material adecuado para sus productos. En este artículo, cubriremos exactamente qué es, cómo difiere de otras especificaciones similares y cómo calcularla.

Qué es la Resistencia a la Tracción

La resistencia a la tracción de un material es cuánta carga o fuerza de tracción puede soportar a través de un área específica antes de que se estire permanentemente o se rompa. Mientras que su límite elástico es el punto justo antes de que el material comience a estirarse de una manera que no puede volver a su forma original, la resistencia a la tracción es el punto en el que se rompe. Un material como el acero tiene alta resistencia a la tracción, pero una banda de goma estará en el fondo de la escala.

Para materiales que se estiran de manera predecible—como un resorte, por ejemplo—la respuesta a la fuerza aplicada, su "elasticidad", dependerá de su "zona elástica lineal". Si la fuerza está dentro de esta zona, el resorte volverá a su forma original una vez que la fuerza desaparezca. Si no, el material se romperá o será dañado irreparablemente. Puede ver cómo la fuerza de tracción difiere de otros tipos en términos de su dirección en el diagrama abajo.

Cuál es la Importancia de Realizar una Prueba de Resistencia a la Tracción

Las pruebas de tracción se usan para aprender sobre las propiedades de resistencia de nuevas formulaciones de materiales. Se usa para verificar resultados de tratamientos térmicos u otros procesos, o para verificar que un lote de material cumple sus especificaciones originales. La validación de las propiedades de materias primas entrantes es una parte crítica de control de proceso y prevención de fallas. Esto es ya sea que un proveedor haga las pruebas y el cliente las acepte, o que el cliente elija verificar las afirmaciones del proveedor sobre un lote de material.

En la planta del fabricante de piezas, probar la resistencia a la tracción de materiales puede ser un paso de control de proceso. Ayuda a asegurar que los materiales están en la condición correcta con respecto a tratamiento térmico, cementación, curado o cualquier otro paso de manufactura que cambie la resistencia y ductilidad del material. En un entorno de investigación y desarrollo, la prueba de tracción es una forma fácil de verificar si una formulación propuesta tiene las características buscadas para una nueva aplicación, o para mejora de una existente.

Las pruebas de tracción pueden realizarse en barras de prueba que son fundidas a forma o mecanizadas de materia prima. También pueden mecanizarse de un componente fundido o mecanizado real si hay una necesidad crítica de verificar propiedades en una sección de una pieza grande.

Cuál es la Importancia de la Resistencia a la Tracción en Piezas Impresas en 3D

La resistencia a la tracción es un factor importante en impresión 3D, específicamente debido al potencial de propiedades de tracción direccionales. Por ejemplo, piezas plásticas impresas en 3D usando tecnología FDM (modelado por deposición fundida) tendrán una resistencia a la tracción más baja a lo largo de su eje Z, donde el eje Z se refiere a la altura vertical de la pieza. Esto es porque las capas individuales no están completamente fusionadas entre sí y solo están en contacto entre sí sobre un área de superficie pequeña.

Muchas hojas de datos de materiales para materiales impresos en 3D indicarán las resistencias a la tracción en diferentes direcciones dentro del material (comúnmente en direcciones Z y XY). Otras tecnologías de impresión 3D, como SLM (fusión selectiva por láser), producirán piezas con una estructura isotrópica, lo que significa que sus propiedades son iguales en todas las direcciones.

Cuál es la Resistencia a la Tracción Ideal para Materiales de Impresión 3D

La resistencia a la tracción ideal depende de la aplicación de la pieza, el material usado y la magnitud y dirección de las cargas aplicadas. Por ejemplo, si una pieza solo está cargada en compresión, entonces la resistencia a la tracción no importa. O si la pieza es un cerramiento para electrónica, entonces la resistencia a la tracción es menos importante que propiedades anti-estáticas y de absorción de humedad. Al diseñar piezas impresas en 3D, el material se selecciona basado en la aplicación y no al revés.

¿Es Importante Determinar la Resistencia a la Tracción de Materiales Impresos en 3D?

Sí, es importante determinar la resistencia a la tracción de materiales impresos en 3D. Pero, solo si la pieza impresa en 3D estará expuesta a carga mecánica. Por ejemplo, si diseña una pieza de ABS impresa en 3D, sería un error usar propiedades normales de ABS. El material de impresión 3D puede tener resistencia a la tracción más baja comparada con la resistencia teórica del material basada en la tecnología de impresión 3D usada.

Cómo Calcular la Resistencia a la Tracción de un Material

Para medir correctamente la resistencia a la tracción, dividimos la fuerza por unidad de área transversal del material en lugar de su superficie total. Pero no podrá calcular la resistencia a la tracción de un material directamente sin primero conocer su curva esfuerzo-deformación.

σ = F/A – eq 1

• σ = esfuerzo
• F = fuerza
• A = área

La unidad SI de resistencia a la tracción es MPa (N/mm²). Básicamente, la resistencia iguala al esfuerzo en el punto de falla del material, y este punto de falla puede caracterizarse por la fuerza por unidad de área.

Cuáles son los Diferentes Tipos de Resistencia a la Tracción

Hay unos pocos tipos diferentes de resistencia a la tracción, pero el término puede significar lo que sea más útil para usted. Por ejemplo, cifras calculadas bajo condiciones estándar serán más útiles para ingenieros que quieran comparar formulaciones de materiales o lotes, o quienes intentan averiguar si un material será bueno para una tarea particular. Los tipos más comunes usados son límite elástico, resistencia a la tracción última y resistencia a la fractura, y los veremos con más detalle abajo.

1. Límite Elástico (Yield Strength)

Como se mencionó un poco antes, el límite elástico es el punto en el que comienza la deformación permanente (o plástica) en un material. Para acero, esto es una vez que se ha deformado pasado su límite proporcional, usualmente visto como una línea recta en una curva esfuerzo-deformación. Para material sin un punto de rendimiento distinto, como aluminio, el límite elástico se reporta como el esfuerzo que coincide con 0.2% deformación. En la mayoría de casos, las piezas metálicas se diseñan para mantener esfuerzos en el entorno de servicio debajo del límite elástico. En el caso de materiales muy frágiles, como cerámicas, estos fallarán a deformaciones muy pequeñas y no ceden en absoluto. Otros materiales, como elastómeros, pueden estirarse muchas veces su longitud original sin romperse y solo muestran una pequeña cantidad de deformación permanente una vez que la carga ha sido removida.

2. Resistencia a la Fractura (Breaking Strength)

También conocida como resistencia a la fractura, esto se refiere al punto en el que el material ya no puede soportar más carga y se rompe. Esto puede verse como el punto final de una curva esfuerzo-deformación, es decir, punto "ε" en el diagrama de límite elástico arriba. El punto de fractura también es el punto usado para medir elongación total.

3. Resistencia Última (Ultimate Strength)

Este es el esfuerzo máximo que un material puede manejar antes de terminar rompiéndose bajo una carga de tracción. Algunos metales experimentarán endurecimiento por deformación después de pasar su punto de rendimiento, y continuarán deformándose a medida que el esfuerzo aumenta hasta llegar a la resistencia a la tracción última del material. No todos los materiales, por ejemplo plásticos, tendrán una resistencia a la tracción última bien definida.

Qué Material Tiene la Resistencia a la Tracción Más Alta

El material que tiene la resistencia a la tracción más alta es el grafeno. El grafeno tiene una resistencia a la tracción última de aproximadamente 130 GPa, haciéndolo más fuerte que los nanotubos de carbono, que hasta recientemente tenían la resistencia a la tracción más alta. Estos materiales son mucho más fuertes que el metal elemental más fuerte, el tungsteno, que tiene una resistencia a la tracción última de 0.98 GPa, o el Inconel® tratado térmicamente ligeramente más fuerte, con una resistencia a la tracción última de 1.034 GPa. Debe notarse, sin embargo, que ni el grafeno ni los nanotubos de carbono pueden producirse en masa barato.

Qué Material Tiene la Resistencia a la Tracción Más Baja

Los plásticos tienden a tener resistencias a la tracción muy bajas comparados con metales y cerámicas. Por ejemplo, PEBD (polietileno de baja densidad) tiene una resistencia a la tracción de 10 MPa. Definir el material con la resistencia a la tracción más baja es difícil, ya que los materiales de baja resistencia a la tracción tienen aplicación práctica limitada, específicamente para usos de carga. La lista de materiales basada en baja resistencia a la tracción no es práctica común.

Qué Dispositivo se Usa para Medir la Resistencia a la Tracción

Un probador de tracción se usa para medir la resistencia a la tracción de una muestra. Esta máquina agarra la pieza de prueba en cada extremo y aplica una cantidad controlada de fuerza de tracción, a una tasa constante. La máquina registra automáticamente datos sobre la carga aplicada y el desplazamiento de los agarres para análisis posterior.

Para aprender más, vea nuestro artículo completo en Máquina de Prueba de Tracción.

Cuáles son las Aplicaciones de la Resistencia a la Tracción

La resistencia a la tracción es una propiedad de material y no tiene una aplicación.

Cuáles son los Factores que Pueden Afectar la Resistencia a la Tracción de un Material

La resistencia a la tracción puede verse afectada por varios factores, tales como.

1. Temperatura: La resistencia a la tracción de un material usualmente baja cuando su temperatura sube. Debajo de temperatura ambiente, la mayoría de materiales se vuelven ligeramente más fuertes, pero también se vuelven menos dúctiles.
2. Endurecimiento por Trabajo: El concepto completo del proceso es deformar plásticamente un material para hacerlo más duro. Al laminar, martillar, doblar o estirar un metal, su estructura cristalina pasa por cambios microscópicos que aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción última, mientras al mismo tiempo reducen su ductilidad.
3. Aditivos: Vidrio o fibra de carbono añadidos a un material pueden aumentar la resistencia a la tracción de no metales, como nailon, por ejemplo.
4. Tratamiento Térmico: Como el endurecimiento por trabajo, esto también cambia la microestructura de un metal y, dependiendo del tipo de tratamiento, podría resultar en un aumento O una disminución en la resistencia a la tracción.
5. Defectos: Defectos superficiales e internos pueden reducir la resistencia a la tracción de un material ya que crean puntos débiles donde las grietas pueden empezar.

Cuáles son los Dos Tipos de Falla por Resistencia a la Tracción

Hay dos tipos principales de falla por resistencia a la tracción: frágil y dúctil.

1. Falla Frágil

La falla frágil ocurre principalmente con materiales duros, como hierro fundido. El material no se deformará mucho antes de fallar repentinamente.

Para aprender más, vea nuestro artículo en Falla Frágil

2. Falla Dúctil

La falla dúctil es el modo primario de falla por tracción para muchos aceros estructurales y materiales más suaves, como aluminio, y es gradual en lugar de instantánea. Después de que el material comienza a ceder, la deformación plástica continúa, luego se localiza, produciendo un "cuello" que será el sitio de la separación final del material.

Para aprender más, vea nuestro artículo en Falla Dúctil

Preguntas Frecuentes sobre Resistencia a la Tracción

Cuál es la Diferencia entre Resistencia a la Tracción y Esfuerzo de Tracción

El esfuerzo de tracción de un material es la cantidad de fuerza por unidad de área que experimenta debido a una carga de tensión, pero la resistencia a la tracción es su límite elástico, resistencia última o resistencia a la fractura.

Cuál es la Diferencia entre Resistencia a la Tracción y Límite Elástico

La resistencia a la tracción de un material muestra qué tan bien puede resistir cargas de tensión aplicadas. Varias métricas de resistencia a la tracción específicamente definidas son valiosas para ingenieros: límite elástico, el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, y resistencia a la tracción última, a menudo referida simplemente como "resistencia a la tracción" para abreviar, que es el esfuerzo máximo que un material puede sostener antes de que la falla sea inevitable.

Cuál es la Mejor Resistencia a la Tracción para Impresión 3D

Al diseñar piezas impresas en 3D, el material se selecciona basado en la aplicación y no al revés. También depende del tipo de material y la dirección y cantidad de las cargas. Por ejemplo, si una pieza solo está cargada en compresión o si será un cerramiento para electrónica (donde propiedades anti-estáticas y de absorción de humedad son más importantes), entonces la resistencia a la tracción no importa mucho. Si la pieza estará expuesta a carga mecánica, definitivamente necesitará conocer la resistencia a la tracción.

Por ejemplo, si está diseñando una pieza de ABS impresa en 3D, sería un error usar propiedades normales de ABS. El material de impresión 3D puede tener resistencia a la tracción más baja comparada con la resistencia teórica del material basada en la tecnología de impresión 3D usada. Muchas hojas de datos de materiales para materiales impresos en 3D mostrarán las resistencias a la tracción en diferentes direcciones dentro del material (comúnmente en direcciones Z y XY). Otras tecnologías de impresión 3D, como SLM (fusión selectiva por láser), producirán piezas con una estructura isotrópica, lo que significa que sus propiedades son iguales en todas las direcciones.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con 20+ años de experiencia escribiendo. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones de manufactura y técnicas y ama el mundo de la ingeniería. Junto a la escritura, Kat fue paralegal por casi 10 años, siete de los cuales fueron en finanzas navieras. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene una Licenciatura en literatura inglesa y filosofía, y una Maestría en escritura creativa de la Universidad Kingston.

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