Cómo las Fuerzas de Tensión y Compresión Influyen en la Resistencia del Metal

La resistencia de un metal juega un papel importante en el diseño de productos o arquitecturas estructurales. Hay diferentes elementos en la resistencia de un metal, incluyendo resistencia a la tracción, límite elástico, dureza y densidad. Las fuerzas de tensión vs. compresión pueden afectar la cantidad de tensión o presión que un metal puede manejar antes de fallar, por eso es importante determinar qué resistencia de material funcionará mejor dependiendo de la aplicación requerida.

Fuerzas de Tensión vs. Compresión: Guía Rápida

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

Fuerza de Tracción en Metales

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

La resistencia a la tracción puede dividirse further en dos partes:

• Límite Elástico: Cuando el metal se somete a carga de tracción externa, sufrirá 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 remueve la fuerza.
• Resistencia a la Tracción Última: Más allá del punto de fluencia, el metal continuará mostrando deformación plástica hasta un punto antes de que ocurra el estrechamiento. Este límite se conoce como resistencia a la tracción última. En resumen, representa la tensión máxima que un metal puede manejar sin romperse en dos piezas.

Fuerza de Compresión en Metales

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

Hay seis tipos diferentes de modos de falla por compresión:

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

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

Diferentes Metales Bajo Fuerzas de Tensión vs. Compresión

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

El gráfico a continuación compara la resistencia, dureza y densidad de diferentes metales:

El acero tiene mayor resistencia a la tracción y límite elástico que el aluminio; sin embargo, el aluminio es ligero 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 alta resistencia a la tracción pero 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 lo opuesto.

Los materiales frágiles, como el hierro fundido, contienen muchos vacíos. Bajo resistencia a la tracción, estos vacíos actúan como muescas, resultando en 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 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 tensión de cizallamiento.

La Importancia de Entender las Resistencias de los Materiales

Las resistencias a la compresión y 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 (denotado 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 tensión y deformación longitudinal. Cuanto mayor sea el módulo de Young, más rígido el material, y menor la deformación elástica para una carga aplicada dada.

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

Los pértigas de salto con pértiga modernas son un gran ejemplo de esto. Para maximizar el rendimiento de un atleta, una pértiga debe estar hecha de materiales ligeros pero también debe almacenar deformación elástica a medida que la pértiga se dobla. Por lo tanto, estas pértigas se construyen de 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 comúnmente usados se muestra a continuación:

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