Resistencia a la tracción

Dos vises aplican tensión a un espécimen tirando de él, estirando el espécimen hasta que se fractura. El máximo estrés que soporta antes de fractura es su máxima fuerza tensil.

Última fuerza de tracción (también llamado UTS, resistencia a la tensión, TS, máxima fuerza o Ftu{displaystyle F_{text{tu}} en notación) es el máximo estrés que un material puede soportar al ser estirado o tirado antes de romper. En materiales frágiles la fuerza de tracción final está cerca del punto de rendimiento, mientras que en materiales dútiles la fuerza de tracción máxima puede ser mayor.

La resistencia máxima a la tracción generalmente se encuentra realizando una prueba de tracción y registrando la tensión de ingeniería frente a la deformación. El punto más alto de la curva tensión-deformación es la resistencia última a la tracción y tiene unidades de tensión. El punto equivalente para el caso de compresión, en lugar de tensión, se denomina resistencia a la compresión.

Las resistencias a la tracción rara vez tienen alguna consecuencia en el diseño de miembros dúctiles, pero son importantes con miembros frágiles. Están tabulados para materiales comunes como aleaciones, materiales compuestos, cerámica, plásticos y madera.

Definición

La resistencia última a la tracción de un material es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, según el material, puede depender de otros factores, como la preparación de la muestra, la presencia o no de defectos en la superficie y la temperatura del entorno y el material de prueba.

Algunos materiales se rompen muy bruscamente, sin deformación plástica, en lo que se denomina falla frágil. Otros, que son más dúctiles, incluyendo la mayoría de los metales, experimentan alguna deformación plástica y posiblemente estrechamiento antes de la fractura.

La resistencia a la tracción se define como una tensión, que se mide como fuerza por unidad de área. Para algunos materiales no homogéneos (o para componentes ensamblados) se puede informar simplemente como una fuerza o como una fuerza por unidad de ancho. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad es el pascal (Pa) (o un múltiplo del mismo, a menudo megapascales (MPa), usando el prefijo SI mega); o, equivalente a pascales, newtons por metro cuadrado (N/m²). Una unidad habitual en los Estados Unidos es la libra por pulgada cuadrada (lb/in² o psi). Kilolibras por pulgada cuadrada (ksi, o a veces kpsi) es igual a 1000 psi, y se usa comúnmente en los Estados Unidos para medir la resistencia a la tracción.

Materiales dúctiles

Figura 1: Curva de tensión de "Engineering" (σ–ε) típica de aluminio

1. Fuerza máxima
2. Fuerza de rendimiento
3. Tensión límite proporcional
4. Fracturas
5. Tensión Offset (típicamente 0,2%)

Figura 2: "Ingeniería" (rojo) y "verdadera" (azul) curva de tensión-entrenamiento típica de acero estructural.

1. Fuerza máxima
2. Fuerza de rendimiento (punto de rendimiento)
3. Rupture
4. Región de endurecimiento de heces
5. Región de bloqueo

1. Estreso aparente (F/A₀)
2. El estrés realF/A)

Muchos materiales pueden mostrar un comportamiento elástico lineal, definido por una relación tensión-deformación lineal, como se muestra en la figura 1 hasta el punto 3. El comportamiento elástico de los materiales a menudo se extiende a una región no lineal, representada en la figura 1 por el punto 2 (el "punto de fluencia"), hasta el cual las deformaciones son completamente recuperables al retirar la carga; es decir, una muestra cargada elásticamente en tensión se alargará, pero volverá a su forma y tamaño originales cuando se descargue. Más allá de esta región elástica, para materiales dúctiles, como el acero, las deformaciones son plásticas. Una muestra deformada plásticamente no vuelve completamente a su tamaño y forma originales cuando se descarga. Para muchas aplicaciones, la deformación plástica es inaceptable y se utiliza como limitación de diseño.

Después del punto de fluencia, los metales dúctiles pasan por un período de endurecimiento por deformación, en el que la tensión aumenta de nuevo al aumentar la deformación y comienzan a estrecharse, a medida que el área de la sección transversal de la muestra disminuye debido al flujo plástico. En un material lo suficientemente dúctil, cuando la estricción se vuelve sustancial, provoca una inversión de la curva de ingeniería de tensión-deformación (curva A, figura 2); esto se debe a que el esfuerzo de ingeniería se calcula asumiendo el área de la sección transversal original antes de la estricción. El punto de inversión es el esfuerzo máximo en la curva esfuerzo-deformación de ingeniería, y la coordenada de esfuerzo de ingeniería de este punto es la resistencia última a la tracción, dada por el punto 1.

La resistencia última a la tracción no se usa en el diseño de miembros estáticos dúctiles porque las prácticas de diseño dictan el uso del límite elástico. Sin embargo, se utiliza para el control de calidad debido a la facilidad de las pruebas. También se utiliza para determinar aproximadamente los tipos de materiales para muestras desconocidas.

La resistencia última a la tracción es un parámetro de ingeniería común para diseñar miembros hechos de material frágil porque dichos materiales no tienen límite elástico.

Pruebas

Espécimen de barra redonda después de las pruebas de tensión

Muestras de prueba de tensil de aluminio después de rotura

El lado "cup" del patrón de falla característica "cup-cone"

Algunas partes mostrando la forma de "cup" y algunas mostrando la forma de "cono"

Normalmente, la prueba consiste en tomar una muestra pequeña con un área de sección transversal fija y luego tirar de ella con un tensiómetro a una tasa de deformación constante (cambio en la longitud calibrada dividida por la longitud calibrada inicial) hasta que la muestra se rompe.

Al probar algunos metales, la dureza de indentación se correlaciona linealmente con la resistencia a la tracción. Esta importante relación permite pruebas no destructivas económicamente importantes de entregas de metal a granel con equipos livianos, incluso portátiles, como probadores de dureza Rockwell portátiles. Esta correlación práctica ayuda a que el aseguramiento de la calidad en las industrias metalúrgicas se extienda mucho más allá del laboratorio y las máquinas de prueba universales.

Resistencias a la tracción típicas

^a Muchos de los valores dependen de procesos de fabricación y pureza o composición.

^ b Los nanotubos de carbono multiwalled tienen la mayor resistencia a la tensión de cualquier material todavía medido, con una medición de 63 GPa, todavía muy por debajo de un valor teórico de 300 GPa. Las primeras cuerdas de nanotubo (20 mm de longitud) cuya fuerza de tracción se publicó (en 2000) tenía una fuerza de 3.6 GPa. La densidad depende del método de fabricación, y el valor más bajo es 0.037 o 0.55 (sólido).

^c La fuerza de la seda de araña es muy variable. Depende de muchos factores incluyendo el tipo de seda (Cada araña puede producir varios para fines sundry.), especies, edad de seda, temperatura, humedad, rapidez a la que se aplica el estrés durante las pruebas, el estrés de longitud se aplica y la forma en que se recoge la seda (sedación forzada o giro natural). El valor mostrado en la tabla, 1000 MPa, es aproximadamente representativo de los resultados de algunos estudios que involucran varias especies diferentes de araña sin embargo los resultados específicos variaron enormemente.

^d La fuerza del cabello humano varía según el origen étnico y los tratamientos químicos.

Propiedades típicas de los elementos recocidos