Resistencia al rendimiento versus resistencia a la tracción: métricas clave en la mecánica de materiales

Resistencia al rendimiento versus resistencia a la tracción: métricas clave en la mecánica de materiales

Comprender los diferentes términos utilizados para definir metales es esencial para implementarlos correctamente en sus componentes. La resistencia al rendimiento y la resistencia a la tracción son dos de las propiedades físicas más importantes, pero ¿cuáles son estos dos términos y cuál es la diferencia entre ellos?

La resistencia del rendimiento se refiere al punto en el que un material deja de deformarse elásticamente (temporalmente) y comienza a deformarse plásticamente (permanentemente) cuando se somete a estrés.

La deformación elástica es cuando un material se dobla, se estira, se retorce o se comprime y luego vuelve a su forma original después de que se retira la carga. La deformación plástica es una deformación permanente, donde un componente o material cambia de forma después de que se aplica una fuerza.

La resistencia al rendimiento a menudo se usa para definir la resistencia de un material porque, en la mayoría de los casos, una vez que se deforma un componente, ya no es funcional. En términos de propiedades mecánicas, la resistencia al rendimiento es una de las propiedades más importantes al especificar un material para un proyecto o componente.

¿Qué es la resistencia a la tracción?
La resistencia a la tracción, a menudo abreviada como UTS, es una medida de cuánto estrés puede resistir un material antes de romperse. Para el acero, esto es típicamente 130-140% de la resistencia al rendimiento.

El punto UTS no es el punto donde el material se rompe, sino el punto en el que la tensión en el material cambia de deformación uniforme global a una deformación localizada, que se manifiesta como estiramiento y estrechamiento del componente (si falla en tensión).

¿Cuál es la diferencia entre la fuerza de rendimiento y la resistencia a la tracción?
La resistencia al rendimiento es el punto en el que un material comienza a deformarse plásticamente, lo que significa que se dobla o se extiende, mientras que la resistencia a la tracción es la tensión máxima que un material puede soportar.

Si bien ambos factores son importantes, la resistencia al rendimiento se usa más comúnmente al especificar materiales para componentes. Esto se debe a que una vez que un material excede el punto de deformación plástica, ya no se puede usar. Un componente bien diseñado generalmente solo se enfatizará en el 50% de su resistencia de rendimiento en el servicio, dependiendo de la aplicación y su factor de seguridad.

¿Es la resistencia a la tracción mayor que la resistencia al rendimiento?
En materiales como el acero suave, la resistencia al rendimiento es aproximadamente 30-40% menor que la resistencia a la tracción, pero esto no es cierto para todos los metales. En materiales frágiles como el acero al alto de carbono, la resistencia a la tracción es solo ligeramente mayor que la resistencia al rendimiento porque el material carece de ductilidad y, por lo tanto, no se deforma mucho antes de romperse.

¿Cómo se miden la fuerza del rendimiento y la resistencia a la tracción?
La resistencia a la tracción y la resistencia al rendimiento son tensiones de ingeniería medidas como fuerza por unidad de área, generalmente en libras por pulgada cuadrada (psi) en América del Norte y en pascales o megapascales en el sistema internacional. Las pruebas estandarizadas son comunes, utilizando muestras de prueba plana o redonda.

Un probador hidráulico o tipo tornillo estira la muestra mientras registra el estrés y la tensión experimentados. La mayoría de los metales homogéneos tienen una relación lineal de tensión-deformación hasta el punto de resistencia al rendimiento.

¿Cuál es la resistencia de rendimiento de los materiales comunes?

La fuerza de un material depende en gran medida de los elementos de aleación específicos que contiene. Aquí hay algunos ejemplos de rendimiento y resistencia a la tracción de materiales de ingeniería comunes:

Como puede ver, los materiales dúctiles como el aluminio y el cobre tienen una gran brecha entre su rendimiento y resistencia a la tracción, mientras que los materiales quebradizos como los aceros de la herramienta de alta carbono tienen lo contrario.

Hechos sobre la resistencia a la tracción
El tungsteno tiene la mayor resistencia a la tracción de todos los metales, a aproximadamente 980 MPa.

Algunos metales muy dúctiles, como el oro, tienen una resistencia de rendimiento más alta que su resistencia a la tracción porque cuestionan con tensiones más bajas, pero pueden estirarse significativamente más que los metales como el acero.

Aunque la seda de araña tiene una resistencia a la tracción de solo 1.5 GPa, es cinco veces más fuerte que el acero en peso.