Efectos de las fuerzas de tensión frente a las de compresión en el metal

La resistencia de un metal juega un papel importante en el diseño de productos o arquitecturas estructurales. Hay diferentes elementos para la resistencia de un metal, incluida la resistencia a la tracción, el límite elástico, la dureza y la densidad. Las fuerzas de tensión frente a las de compresión pueden tener un efecto en la cantidad de tensión o presión que un metal puede soportar antes de fallar, por lo que es importante determinar qué resistencia del material funcionará mejor según la aplicación requerida.

Fuerzas de tensión frente a compresión:una guía rápida

A continuación, describimos brevemente las fuerzas de tracción y compresión en los metales, explicando cómo funciona cada una y los efectos que pueden tener en varios metales.

Fuerza de tracción en metales

Siempre que un metal se estira, está bajo una fuerza de tracción. Matemáticamente, la tensión de tracción es igual a fuerza/área. La tensión máxima que un metal puede soportar representa su resistencia a la tracción.

La resistencia a la tracción se puede dividir en dos partes:

• Límite elástico: Cuando el metal se somete a una carga de tracción externa, sufrirá una deformación elástica y plástica. El límite elástico denota la fuerza de tracción hasta la cual un metal puede recuperar su forma original una vez que se elimina la fuerza.
• Resistencia máxima a la tracción: Más allá del punto de fluencia, el metal continuará mostrando deformación plástica hasta un punto antes de que se produzca el estrechamiento. Este límite se conoce como resistencia última a la tracción. En resumen, representa la tensión máxima que un metal puede soportar sin romperse en dos partes.

Fuerza de compresión en metales

La fuerza de compresión representa la máxima compresión o presión que un metal puede soportar sin romperse. Hay una reducción en la longitud con respecto a su medida original.

Hay seis tipos diferentes de modos de falla por compresión:

1. Pandeo: Cambio lateral repentino en la forma bajo una carga axial
2. Cizallamiento: Falla por deslizamiento a lo largo de la dirección de la fuerza aplicada
3. Doble cañón: La formación de dos barriles durante la compresión de cuerpos prismáticos altos sin zonas externas
4. Barriles: La generación de una superficie convexa en el exterior de un cilindro
5. Compresión homogénea: No hay fricción en la superficie de contacto
6. Inestabilidad compresiva: Falla por ablandamiento del metal por trabajo

Una prueba ampliamente aceptada para determinar la resistencia a la compresión es la prueba de dureza de Mohs.

Diferentes metales bajo tensión frente a fuerzas de compresión

El valor máximo de resistencia a la compresión y resistencia a la tracción varía entre los metales. Algunos metales muestran una resistencia a la tracción excepcional bajo tensión, mientras que otros son buenos para manejar la máxima fuerza de compresión. Por lo tanto, comparar dos metales bajo tensión frente a fuerzas de compresión requiere reconocer la aplicación del metal en primer lugar; solo entonces se vuelve fácil compararlo con otros metales.

La siguiente tabla compara la fuerza, la dureza y la densidad de diferentes metales:

El acero tiene mayor resistencia a la tracción y límite elástico que el aluminio; sin embargo, el aluminio es liviano y ofrece mejor resistencia a la corrosión que el acero. Por lo tanto, es importante estudiar los parámetros al considerar los requisitos de la aplicación.

Además, un metal puede tener una alta resistencia a la tracción pero una baja resistencia a la compresión y viceversa. Por ejemplo, la resistencia a la compresión del hierro fundido es mayor que su resistencia a la tracción, pero para el acero dulce es todo lo contrario.

Los materiales frágiles, como el hierro fundido, contienen muchos vacíos. Bajo resistencia a la tracción, estos vacíos actúan como muescas, lo que da como resultado una alta propagación de grietas a través del material. Pero bajo una fuerza de compresión, estos vacíos se cierran, anulando cualquier posibilidad de propagación de grietas.

Por otro lado, en materiales dúctiles, las grietas formadas bajo la carga se cierran fácilmente sin propagarse a través del material. Como resultado, estos son igualmente fuertes en tensión y compresión; sin embargo, tienden a fallar bajo esfuerzo cortante.

La importancia de comprender las fortalezas de los materiales

Las resistencias a la compresión y a la tracción son propiedades muy importantes de un metal cuando se trata de diseño de ingeniería. En cualquier diseño de ingeniería, el objetivo principal es mantener la deformación plástica lo más pequeña posible. En este sentido, el módulo de Young (indicado como E) puede considerarse un parámetro clave en el proceso de selección.

El módulo de Young es otra forma de calcular el grado de deformación de un material bajo tensión o compresión longitudinal. Se define como la relación entre la tensión longitudinal y la deformación. Cuanto mayor sea el módulo de Young, más rígido será el material y menor será la deformación elástica para una carga aplicada determinada.

Ahora, por ejemplo, si construimos una casa de un metal con un módulo de Young bajo, se deformará mucho bajo una carga de compresión; un metal más rígido daría una respuesta más deseada.

Los saltos de pértiga modernos son un gran ejemplo de esto. Para maximizar el rendimiento de un atleta, una pértiga debe estar hecha de materiales livianos pero también debe almacenar tensión elástica a medida que la pértiga se dobla. Por lo tanto, estos postes están construidos con fibra de vidrio (E =15 GPa) o una mezcla de fibra de vidrio y fibra de carbono (E =500 GPa).

El módulo de Young para algunos de los metales más utilizados se muestra a continuación:

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