Elección de aleación metálica adecuada: consideraciones clave de resistencia para diseñadores de productos

¿Cuál es el metal ideal (o aleación) para mi proyecto?

Los diseñadores de productos comúnmente hacen esta pregunta durante la fase de desarrollo. Y aunque muchos factores contribuyen al éxito de una aleación, sus propiedades mecánicas (como la resistencia del metal) encabezan la lista.

La resistencia del metal describe la capacidad de un metal para resistir deformación (y fallo) bajo la acción de diferentes fuerzas (o condiciones de carga). Sin embargo, hay diferentes tipos de resistencias y varias métricas para medirlas. Aquí discutimos todo lo que necesita saber sobre la resistencia de los metales y las tablas de resistencia.

Entendiendo diferentes condiciones de carga

Para entender qué implica la resistencia de los metales, primero debemos discutir cómo reaccionan los materiales a la carga por fuerzas aplicadas o movimiento. La Figura 1 ilustra una varilla típica experimentando los tipos fundamentales de carga.

Figura 1: Tipos fundamentales de condiciones de carga

En carga de compresión, dos fuerzas iguales tienden a empujar la varilla en direcciones opuestas, compactándola. Al igual que la compresión, la carga de tracción también presenta dos fuerzas en direcciones opuestas, pero tienden a estirar la varilla.

La carga de flexión ocurre cuando dos fuerzas (misma dirección) actúan sobre la varilla a distancia. En contraste, la carga de cizallamiento presenta fuerzas aplicadas coplanares con la sección transversal de la varilla —actúan tangentes al eje de carga convencional.

Independientemente del tipo de carga, los efectos de estas fuerzas externas en la varilla pueden estimarse usando dos parámetros clave: esfuerzo y deformación.

¿Qué son esfuerzo y deformación?

Gráfico de esfuerzo de ingeniería Von Mises de una biela de motor en dibujo técnico

El esfuerzo es la magnitud de una fuerza externa actuando sobre el área de sección transversal de un cuerpo. En contraste, la deformación describe la cantidad de deformación experimentada por el cuerpo en la dirección de esa fuerza.

Vea así: digamos que aplica una magnitud predeterminada de fuerza de tracción en la sección transversal circular de una varilla de aluminio. En tal escenario, somete la varilla a esfuerzo de tracción causando fuerzas internas entre partículas. Como resultado, esta fuerza interna hace que las partículas se estiren y deformen gradualmente —lo que describe la deformación.

Asumiendo que sigue aumentando la fuerza de tracción (o esfuerzo), notaría que la deformación aumenta hasta que el material finalmente falla o se rompe. El comportamiento de la varilla antes de fallar depende de los diferentes tipos de resistencia del metal.

¿Cuáles son los tipos de resistencia?

La Figura 2 es una representación gráfica de cómo una pieza metálica reaccionaría a esfuerzo de tracción antes de fallar.

Figura 2: Representación gráfica esfuerzo-deformación

1. Límite elástico (Yield Strength)

El límite elástico se refiere a la máxima resistencia que un metal puede soportar antes de deformación plástica —cambio permanente en la forma sin fractura.

2. Resistencia última a la tracción (Ultimate Tensile Strength)

La resistencia última a la tracción (también llamada resistencia a la tracción) es el máximo esfuerzo de tracción que el metal puede soportar antes de fallar (o fracturar). Puede evaluar la resistencia a la tracción de un metal usando una máquina de ensayo de tracción.

La máquina presenta dos mordazas que sujetan firmemente una pieza de metal en ambos extremos. La máquina tira lentamente longitudinalmente durante el ensayo hasta que la pieza fractura. La cantidad de fuerza de tracción (o esfuerzo) aplicada y la elongación se miden para determinar el límite elástico y la resistencia última a la tracción.

Figura 3: Máquina de ensayo de tracción

La Tabla 1 presenta el límite elástico y la resistencia a la tracción de diferentes metales comunes que podría considerar para su proyecto. Estos valores se determinaron de una serie de ensayos de tracción en diferentes metales.

Tabla 1: Tabla de resistencia de metales

Pero la resistencia de un metal no se limita a límite elástico y resistencia a la tracción.

Otros tipos de resistencia de metales

Resistencia a la compresión: describe el máximo esfuerzo de compresión que una pieza puede soportar antes de fallar o fracturar. Puede evaluarse con una máquina de ensayo de compresión —similar al aparato de tracción pero que comprime la pieza.

Resistencia al impacto: describe la capacidad de un metal para soportar cargas repentinas y agudas sin fractura. Normalmente se expresa en términos de energía que el material puede absorber antes de fracturar y puede determinarse con una máquina de ensayo de impacto.

Figura 4: Máquina de ensayo de impacto

La máquina presenta un péndulo que golpea una pieza de metal con fuerza predeterminada hasta fracturarla. La energía que el metal puede resistir antes de fallar se determina como resistencia al impacto.

Resistencia al cizallamiento: describe la máxima carga de cizallamiento que un metal puede soportar antes de fallar en cizallamiento.

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Elegir un metal ideal para su componente: Gensun puede ayudar

Ahora que entiende qué implica la resistencia del metal, estará de acuerdo en que elegir un metal capaz de soportar las diferentes condiciones de carga que su producto (o pieza) experimentará es esencial. Sin embargo, además de elegir un metal ideal, también debe asegurar que sus piezas metálicas se mecanicen con precisión usando tecnologías de fabricación de vanguardia.

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