Explicación de la resistencia a la tracción:definiciones clave, importancia, tipos y ejemplos del mundo real

Para los fabricantes, la resistencia a la tracción es uno de los primeros aspectos necesarios a la hora de elegir el material adecuado para sus productos. En este artículo, cubriremos exactamente qué es, en qué se diferencia de otras especificaciones similares y cómo calcularlo.

¿Qué es la resistencia a la tracción?

La resistencia a la tracción de un material es la cantidad de carga o fuerza de tracción que puede soportar en un área específica antes de que se estire o se rompa permanentemente. Si bien su límite elástico es el punto justo antes de que el material comience a estirarse de manera que no pueda volver a su forma original, la resistencia a la tracción es el punto en el que se rompe. Un material como el acero tiene una alta resistencia a la tracción, pero una banda elástica estará justo en la parte inferior 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. De lo contrario, el material se romperá o sufrirá daños irreparables. Puedes ver en qué se diferencia la fuerza de tracción de otros tipos en términos de su dirección en el siguiente diagrama.

¿Cuál es la importancia de realizar una prueba de resistencia a la tracción?

Las pruebas de tracción se utilizan para conocer las propiedades de resistencia de nuevas formulaciones de materiales. Se utiliza para comprobar los resultados de tratamientos térmicos de otros procesos, o para verificar que un lote de material cumple con sus especificaciones originales. La validación de las propiedades de las materias primas entrantes es una parte crítica del control de procesos y la prevención de fallas. Esto depende de si un proveedor realiza las pruebas y el cliente las acepta, o si el cliente elige verificar las afirmaciones del proveedor sobre una gran cantidad de material.

En la planta del fabricante de piezas, probar la resistencia a la tracción de los materiales puede ser un paso de control del proceso. Ayuda a garantizar que los materiales estén en las condiciones correctas con respecto al tratamiento térmico, endurecimiento, curado o cualquier otro paso de fabricación que cambie la resistencia y ductilidad del material. En un entorno de investigación y desarrollo, las pruebas de tracción son una forma sencilla de comprobar si una formulación propuesta tiene las características buscadas para una nueva aplicación o para mejorar una existente.

Las pruebas de tracción se pueden realizar en barras de prueba moldeadas o mecanizadas a partir de materia prima. También se pueden mecanizar a partir de un componente mecanizado o fundido real si existe una necesidad crítica de verificar las 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 la impresión 3D, específicamente debido al potencial de propiedades de tracción direccionales. Por ejemplo, las piezas de plástico impresas en 3D que utilizan tecnología FDM (modelado por deposición fundida) tendrán una menor resistencia a la tracción a lo largo de su eje z, donde el eje z se refiere a la altura vertical de la pieza. Esto se debe a que las capas individuales no están completamente fusionadas entre sí y sólo están en contacto entre sí en una pequeña superficie.

Muchas hojas de datos de materiales impresos en 3D indicarán las resistencias a la tracción en diferentes direcciones dentro del material (comúnmente en las 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 los materiales de impresión 3D?

La resistencia a la tracción ideal depende de la aplicación de la pieza, el material que se utiliza y la magnitud y dirección de las cargas que se aplican. Por ejemplo, si una pieza sólo se carga a compresión, entonces la resistencia a la tracción no importa. O si la pieza es una carcasa para dispositivos electrónicos, entonces la resistencia a la tracción es menos importante que las propiedades antiestáticas y de absorción de humedad. Al diseñar piezas impresas en 3D, el material se selecciona en función de la aplicación y no al revés. 

¿Es importante determinar la resistencia a la tracción de los materiales impresos en 3D?

Sí, es importante determinar la resistencia a la tracción de los materiales impresos en 3D. Pero solo si la pieza impresa en 3D estará expuesta a cargas mecánicas. Por ejemplo, si se diseña una pieza de ABS impresa en 3D, sería un error utilizar las propiedades normales del ABS. El material de impresión 3D puede tener una resistencia a la tracción menor en comparación con la resistencia a la tracción teórica del material según la tecnología de impresión 3D utilizada.

¿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 de la sección transversal del material en lugar de por toda su superficie. Pero no será posible calcular directamente la resistencia a la tracción de un material sin conocer primero su curva tensión-deformación.

σ =F/A – eq 1

• σ =estrés
• F =fuerza
• A =área

La unidad de resistencia a la tracción del SI es MPa (N/mm2). Básicamente, la resistencia es igual a la tensión en el punto de falla del material, y este punto de falla se puede caracterizar por la fuerza por unidad de área.

¿Cuáles son los diferentes tipos de resistencia a la tracción?

Hay algunos tipos diferentes de resistencia a la tracción, pero el término puede significar lo que le resulte más útil. Por ejemplo, las cifras elaboradas en condiciones estándar serán las más útiles para los ingenieros que quieran comparar formulaciones o lotes de materiales, o para aquellos que estén tratando de determinar si un material será bueno para una tarea en particular. Los tipos más comunes utilizados son el límite elástico, la resistencia máxima a la tracción y la resistencia a la rotura, y los veremos con un poco más de detalle a continuación.

1. Límite elástico

Como se mencionó un poco antes, el límite elástico es el punto en el que comienza la deformación permanente (o plástica) en un material. En el caso del acero, esto ocurre una vez que se ha deformado más allá de su límite proporcional, que generalmente se ve como una línea recta en una curva tensión-deformación. Para materiales sin un límite elástico definido, como el aluminio, el límite elástico se informa como la tensión que coincide con una deformación del 0,2%. En la mayoría de los casos, las piezas metálicas están diseñadas para mantener las tensiones en el entorno de servicio por debajo del límite elástico. En el caso de materiales muy frágiles, como la cerámica, estos fallarán con deformaciones muy pequeñas y no cederán en absoluto. Otros materiales, como los elastómeros, se pueden estirar muchas veces su longitud original sin romperse y solo muestran una pequeña cantidad de deformación permanente una vez que se ha eliminado la carga.

2. Fuerza de rotura

También conocida como resistencia a la fractura, 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 tensión-deformación, es decir, el punto “ε ”en el diagrama de límite elástico anterior. El punto de ruptura también es el punto utilizado para medir el alargamiento total.

3. Fuerza máxima

Esta es la tensión máxima que un material puede soportar antes de terminar rompiéndose bajo una carga de tracción. Algunos metales experimentarán endurecimiento por deformación después de superar su límite elástico y continuarán deformándose a medida que aumenta la tensión hasta alcanzar la resistencia máxima a la tracción del material. No todos los materiales, por ejemplo los plásticos, tendrán una resistencia última a la tracción bien definida.

¿Qué material tiene la mayor resistencia a la tracción?

El material que tiene mayor resistencia a la tracción es el grafeno. El grafeno tiene una resistencia máxima a la tracción de aproximadamente 130 GPa, lo que lo hace más fuerte que los nanotubos de carbono, que hasta hace poco tenían la mayor resistencia a la tracción. Estos materiales son mucho más fuertes que el metal elemental más fuerte, el tungsteno, que tiene una resistencia máxima a la tracción de 0,98 GPa, o el Inconel® tratado térmicamente, ligeramente más resistente, con una resistencia máxima a la tracción de 1,034 GPa. Sin embargo, cabe señalar que ni el grafeno ni los nanotubos de carbono pueden producirse en masa de forma económica. 

¿Qué material tiene la menor resistencia a la tracción?

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

¿Qué dispositivo se utiliza para medir la resistencia a la tracción?

Se utiliza un probador de tracción para medir la resistencia a la tracción de una muestra. Esta máquina agarra la pieza de prueba por cada extremo y le aplica una cantidad controlada de fuerza de tracción, a un ritmo constante.  La máquina registra automáticamente datos sobre la carga aplicada y el desplazamiento de las empuñaduras para su posterior análisis.

Para obtener más información, consulte nuestro artículo completo sobre la máquina de ensayo de tracción.

¿Cuáles son las aplicaciones de la resistencia a la tracción?

La resistencia a la tracción es una propiedad del material y no tiene 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, como.

1. Temperatura :La resistencia a la tracción de un material generalmente disminuye cuando su temperatura aumenta. Por debajo de la temperatura ambiente, la mayoría de los materiales se vuelven ligeramente más fuertes, pero también se vuelven menos dúctiles.
2. Endurecimiento laboral :El concepto general del proceso es deformar plásticamente un material para hacerlo más duro. Al rodar, martillar, doblar o estirar un metal, su estructura cristalina sufre cambios microscópicos que aumentan el rendimiento y la resistencia máxima a la tracción, al tiempo que reducen su ductilidad.
3. Aditivos :La fibra de vidrio o de carbono agregada a un material puede aumentar la resistencia a la tracción de los no metales, como el nailon, por ejemplo.
4. Tratamiento térmico :Al igual que el endurecimiento por trabajo, esto también cambia la microestructura de un metal y, según el tipo de tratamiento, podría resultar en un aumento O una disminución de la resistencia a la tracción.
5. Defectos :Los defectos superficiales e internos pueden reducir la resistencia a la tracción de un material, ya que crean puntos débiles donde pueden comenzar las grietas.

¿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. Fracaso frágil

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

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre Fracaso frágil

2. Falla dúctil

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

Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre falla dúctil

Preguntas frecuentes sobre resistencia a la tracción

¿Cuál es la diferencia entre resistencia a la tracción y tensión de tracción?

La tensión 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 resistencia elástica, última o de 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 las cargas de tensión que se le aplican. Varias métricas de resistencia a la tracción definidas específicamente son valiosas para los ingenieros:límite elástico, la tensión a la que un material comienza a deformarse plásticamente y la resistencia a la tracción máxima, a menudo denominada simplemente "resistencia a la tracción" para abreviar, que es la tensión máxima que un material puede soportar antes de que la falla sea inevitable.

¿Cuál es la mejor resistencia a la tracción para la impresión 3D?

Al diseñar piezas impresas en 3D, el material se selecciona en función de la aplicación y no al revés. También depende del tipo de material y de la dirección y cantidad de las cargas. Por ejemplo, si una pieza solo se carga a compresión o si será una carcasa para dispositivos electrónicos (donde las propiedades antiestáticas y de absorción de humedad son más importantes), entonces la resistencia a la tracción no importa mucho. Si la pieza va a estar expuesta a cargas mecánicas, definitivamente necesitarás conocer la resistencia a la tracción.

Por ejemplo, si está diseñando una pieza de ABS impresa en 3D, sería un error utilizar las propiedades normales del ABS. El material de impresión 3D puede tener una resistencia a la tracción menor en comparación con la resistencia a la tracción teórica del material según la tecnología de impresión 3D utilizada. Muchas hojas de datos de materiales impresos en 3D mostrarán las resistencias a la tracción en diferentes direcciones dentro del material (comúnmente en las 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 una escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia en escritura. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones técnicas y de fabricación y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue asistente legal durante casi 10 años, siete de los cuales estuvieron en finanzas navales. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene una licenciatura en literatura y filosofía inglesas y una maestría en escritura creativa de la Universidad de Kingston.

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