Resistencia máxima a la tracción

La resistencia máxima a la tracción (también llamada UTS , resistencia a la tracción , TS , resistencia última o en notación) ^[1] es la tensión máxima que un material puede soportar mientras se estira o se tira antes de romperse. En materiales frágiles , la resistencia máxima a la tracción está cerca del punto de fluencia , mientras que en materiales dúctiles , la resistencia máxima a la tracción puede ser mayor.${\displaystyle F_{\text{tu}}}$

La resistencia máxima a la tracción se suele determinar realizando una prueba de tracción y registrando la relación entre la tensión y la deformación . El punto más alto de la curva de tensión-deformación es la resistencia máxima 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 importancia en el diseño de elementos dúctiles , pero sí son importantes en el caso de elementos frágiles. Se presentan en tablas para materiales comunes, como aleaciones , materiales compuestos , cerámicas , plásticos y madera.

La resistencia máxima a la tracción de un material es una propiedad intensiva ; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de ensayo. Sin embargo, dependiendo del material, puede depender de otros factores, como la preparación de la muestra, la presencia o no de defectos superficiales y la temperatura del entorno de ensayo y del material.

Algunos materiales se rompen de forma muy brusca, sin deformación plástica , en lo que se denomina una rotura frágil. Otros, que son más dúctiles, incluidos la mayoría de los metales, experimentan cierta deformación plástica y posiblemente estrangulamiento 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), utilizando el prefijo SI mega ); o, equivalente a los pascales, newtons por metro cuadrado (N/m ² ). Una unidad habitual en los Estados Unidos es la libra por pulgada cuadrada (lb/in ² o psi). Las kilolibras por pulgada cuadrada (ksi, o a veces kpsi) equivalen a 1000 psi y se utilizan comúnmente en los Estados Unidos para medir la resistencia a la tracción.

Muchos materiales pueden mostrar un comportamiento elástico lineal , definido por una relación lineal de tensión-deformación , 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 (la "resistencia a la fluencia"), hasta la 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 experimentan un período de endurecimiento por deformación, en el que la tensión aumenta de nuevo con el aumento de 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 suficientemente dúctil, cuando el estrechamiento se vuelve sustancial, provoca una inversión de la curva de tensión-deformación de ingeniería (curva A, figura 2); esto se debe a que la tensión de ingeniería se calcula asumiendo el área de la sección transversal original antes del estrechamiento. El punto de inversión es la tensión máxima en la curva de tensión-deformación de ingeniería, y la coordenada de tensión de ingeniería de este punto es la resistencia a la tracción última, dada por el punto 1.

La resistencia máxima a la tracción no se utiliza en el diseño de elementos estáticos dúctiles porque las prácticas de diseño dictan el uso de la tensión de fluencia . Sin embargo, se utiliza para el control de calidad, debido a la facilidad de las pruebas. También se utiliza para determinar de forma aproximada los tipos de materiales para muestras desconocidas. ^[2]

La resistencia máxima a la tracción es un parámetro de ingeniería común para diseñar elementos hechos de material frágil porque dichos materiales no tienen punto de rendimiento . ^[2]

Normalmente, la prueba implica tomar una pequeña muestra con un área de sección transversal fija y luego tirar de ella con un tensómetro a una velocidad de tensión constante (cambio en la longitud del calibre dividido por la longitud del calibre 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 realizar pruebas no destructivas, de importancia económica, de entregas de metal a granel con equipos livianos e incluso portátiles, como los durómetros Rockwell portátiles . ^[3] Esta correlación práctica ayuda a que el control de calidad en las industrias metalúrgicas se extienda mucho más allá del laboratorio y las máquinas de prueba universales .

^a Muchos de los valores dependen del proceso de fabricación y de la pureza o composición.

^b Los nanotubos de carbono multipared tienen la resistencia a la tracción más alta de cualquier material medido hasta ahora, con una medición de 63 GPa, todavía muy por debajo de un valor teórico de 300 GPa. ^[39] Las primeras cuerdas de nanotubos (de 20 mm de longitud) cuya resistencia a la tracción se publicó (en 2000) tenían una resistencia de 3,6 GPa. ^[40] La densidad depende del método de fabricación, y el valor más bajo es 0,037 o 0,55 (sólido). ^[41]

^c La resistencia de la seda de araña es muy variable. Depende de muchos factores, entre ellos el tipo de seda (cada araña puede producir varias para diversos fines), la especie, la edad de la seda, la temperatura, la humedad, la rapidez con la que se aplica la tensión durante la prueba, la longitud a la que se aplica la tensión y la forma en que se recoge la seda (sedado forzado o hilado natural). ^[42] El valor que se muestra en la tabla, 1000 MPa, es aproximadamente representativo de los resultados de unos pocos estudios que involucraron varias especies diferentes de arañas, sin embargo, los resultados específicos variaron mucho. ^[43]

^d La fuerza del cabello humano varía según la etnia y los tratamientos químicos.

• Resistencia a la flexión
• Resistencia de los materiales
• Estructura de tracción
• Tenacidad
• Falla
• Tensión (física)
• Módulo de Young

• Giancoli, Douglas, Física para científicos e ingenieros, tercera edición (2000). Upper Saddle River: Prentice Hall.
• Köhler T, Vollrath F (1995). "Biomecánica del hilo en dos arañas tejedoras de orbes, Araneus diadematus (Araneae, Araneidae) y Uloboris walckenaerius (Araneae, Uloboridae)". Revista de zoología experimental . 271 : 1–17. doi :10.1002/jez.1402710102.
• T Follett, La vida sin metales
• Min-Feng Y, Lourie O, Dyer MJ, Moloni K, Kelly TF, Ruoff RS (2000). "Resistencia y mecanismo de rotura de nanotubos de carbono de paredes múltiples bajo carga de tracción" (PDF) . Science . 287 (5453): 637–640. Bibcode :2000Sci...287..637Y. doi :10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2011.
• George E. Dieter, Metalurgia mecánica (1988). McGraw-Hill, Reino Unido