Tensión de rotura

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Se denomina tensión de rotura,[1] [2] a la máxima tensión que un material puede soportar al ser traccionado antes de que se produzca necking, que es cuando la sección transversal del especimen se comienza a contraer de manera significativa.

La tensión de rotura se obtiene por lo general realizando un ensayo de tracción y registrando la tensión en función de la deformación (o alargamiento); el punto más elevado de la curva tensión-deformación es la tensión de rotura. Es una propiedad intensiva; por lo tanto su valor no depende del tamaño del espécimen de ensayo. Sin embargo, depende de otros factores, tales como la preparación del especímen, la presencia o no de defectos superficiales, y la temperatura del medioambiente y del material.

Las tensiones de rotura rara vez son consideradas en el diseño de elementos dúctiles, pero sin embargo son muy importantes en el diseño de elementos frágiles. Las mismas se encuentran tabuladas para los materiales más comunes tales como aleaciones, materiales compuestos, cerámicos, plásticos, y madera.

La tensión de rotura es definida como una tensión que se mide en unidades de fuerza por unidad de área. Para algunos materiales nohomogéneos se la indica como una fuerza o una fuerza por unidad de espesor. En el sistema internacional, la unidad es el pascal (Pa) (o un múltiplo del mismo, a menudo el megapascal (MPa), utilizando el prefijo Mega); o, equivalente al Pascal, Newton por metro cuadrado (N/m²).

Conceptos[editar]

Materiales dúctiles[editar]

Curva de Tensión vs. Deformación típica del aluminio.
1. Tensión de rotura
2. Límite elástico
3. Límite de proporcionalidad
4. Fractura
5. Deformación en el punto de límite elástico (típica 0.2%)
Curva de Tensión vs. Deformación típica de un acero estructural
1. Tensión de rotura
2. Límite elástico
3. Fractura
4. Región de endurecimiento inducido por deformación
5. Región de necking
A: Tensión de ingeniería
B: Tensión verdadera

Muchos materiales presentan un comportamiento elástico, que se define por la existencia de una relación lineal entre la tensión y la deformación, tal como muestra la figura hasta el punto 2, en el cual las deformaciones se revierten completamente al eliminar la carga o fuerza actuante; esto es que el especimen cargado por una tensión en la región elástica se estirará, pero tomará su forma y tamaño original cuando se retira la carga. Luego de la región lineal, en los materiales dúctiles, tales como el acero, las deformaciones son plásticas. Un especimen que se ha deformado en forma plástica no tomará su forma y tamaño original cuando se retira la carga. Es de notar que en este caso se recobrará una parte de la deformación. En muchos usos, es inaceptable la deformación plástica, y por lo tanto se la identifica como un factor que limita al diseño.

Luego del punto de límite elástico, los metales dúctiles presentan una zona de endurecimiento inducido por deformación, en cual la tensión se incrementa ante deformaciones crecientes, y el especimen comienza a desarrollar un estrechamiento o cuello (necking en inglés), en la cual la sección transversal del especimen disminuye a causa de un flujo plástico. En un material suficientemente dúctil, cuando el estrechamiento es apreciable, se observa una inversión en la curva de tensión-deformación de ingeniería (curva A); esto se debe a que la tensión de ingeniería se calcula utilizando el área de la sección transversal del especimen original antes de que se produjera el estrechamiento. El punto de inversión corresponde a la tensión máxima en la curva de tensión-deformación de ingeniería, y la coordenada de tensión de ingeniería en este punto es denominada la tensión última de rotura, mencionada en el punto 1.

La tensión de rotura por lo general no se utiliza en el diseño de componentes estructurales estáticos dúctiles ya que las prácticas de diseño determinan utilizar el límite elástico. Sin embargo si se lo utiliza para control de calidad, ya que es fácil de medir. A veces se lo utiliza para tener una estimación preliminar del tipo de material a partir de una muestra desconocida.[3]

Materiales frágiles[editar]

Los materiales frágiles, tales como el hormigón y la fibra de carbono, se caracterizan por fallar ante deformaciones pequeñas. A menudo fallan cuando aún se encuentran deformándose de manera elástica lineal, y por lo tanto no poseen un límite elástico definido. A causa de que las deformaciones son reducidas, existe una diferencia irrelevante entre la tensión de ingeniería y la tensión real. El ensayo de varios especimenes idénticos produce distintos valores de la tensión de rotura, esto se debe al módulo de Weibull del material frágil.

La tensión de rotura es un parámetro utilizado con frecuencia al diseñar estructuras o piezas frágiles, ya que no existe el límite elástico.[3]

Valores típicos de la tensión de rotura[editar]

Tensiones de rotura de algunos materiales
Material Límite elástico
(MPa)
Tensión de rotura
(MPa)
Densidad
(g/cm³)
Acero estructural ASTM acero A36 250 400 7.8
Acero al carbono 1090 250 841 7.58
Piel humana 15 20 2,2
Micro-Melt® 10 Tough Treated Tool Steel (AISI A11)[4] 5171 5205 7.45
2800 Maraging steel[5] 2617 2693 8.00
AerMet 340[6] 2160 2430 7.86
Sandvik Sanicro 36Mo logging cable Precision Wire[7] 1758 2070 8.00
Acero AISI 4130, water quenched 855 °C, 480 °C temper[8] 951 1110 7.85
Titanio 11 (Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si), Aged[9] 940 1040 4.50
Acero, API 5L X65[10] 448 531 7.8
Acero, high strength alloy ASTM A514 690 760 7,8
Polietileno de alta densidad (HDPE) 26-33 37 0,95
Polipropileno 12-43 19.7-80 0,91
Acero inoxidable AISI 302 - Cold-rolled 520 860 8,19
Cast iron 4.5% C, ASTM A-48 130 200  
"Liquidmetal" alloy[cita requerida] 1723 550-1600 6,1
Berilio[11] 99.9% Be 345 448 1,84
Aleación de aluminio[12] 2014-T6 414 483 2.8
Polyester resin (unreinforced)[13] 55    
Polyester and Chopped Strand Mat Laminate 30% E-glass[13] 100    
S-Glass Epoxy composite[14] 2358    
Aleación de alumninio 6063-T6   248 2,63
Cobre 99.9% Cu 70 220 8,92
Cupronickel 10% Ni, 1.6% Fe, 1% Mn, balance Cu 130 350 8,94
Bronce 200 + 550 5,3
Tungsteno   1510 19,25
Vidrio   33[15] 2,53
E-Glass N/A 1500 for laminates,
3450 for fibers alone
2,57
S-Glass N/A 4710 2,48
Fibra de basalto[16] N/A 4840 2,7
Mármol N/A 15  
Cemento N/A 3 2,7
Fibra de carbono N/A 1600 for Laminate,
4137 for fiber alone
1,75
Fibra de carbono (Toray T1000G)[17]   6370 fibre alone 1.80
Cabello humano   380  
Bambú   350-500 0,4
Seda de araña 1000 1,3
Darwin's bark spider silk[18] 1652
Seda de gusano de seda 500   1,3
Aramid (Kevlar o Twaron) 3620 2757 1,44
UHMWPE 3447 6894 0,97
UHMWPE fibers[19] [20] (Dyneema or Spectra) 2300-3500 0.97
Vectran   2850-3340  
Polybenzoxazole (Zylon)[21]   2700 1,56
Madera de pino (paralelo al grano)   40  
Hueso (costilla) 104-121 130 1,6
Nylon, tipo 6/6 45 75 1,15
Adhesivo epoxi - 12 - 30[22] -
Goma - 15  
Boro N/A 3100 2.46
Silicio, monocristalino (m-Si) N/A 7000 2.33
Silicon carbide (SiC) N/A 3440  
Ultra-pure silica glass fiber-optic strands[23] 4100
Safiro (Al2O3) 400 at 25*C, 275 at 500*C, 345 at 1000*C 1900 3.9-4.1
Boron Nitride Nanotube N/A 33000  ?
Diamante N/A 2800 3.5
Grafeno N/A 130000[24] 1.0
First carbon nanotube ropes  ? 3600 1.3
Colossal carbon tube N/A 7000 0.116
Nanotubo de carbono (see note below) N/A 11000-63000 0.037-1.34
Carbon nanotube composites N/A 1200[25] N/A
Propiedades típicas de elementos templados[26]
Elemento Modulo de
Young
(GPa)
Offset o
yield strength
(MPa)
Tensión de
rotura
(MPa)
silicio 107 5000–9000
tungsteno 411 550 550–620
hierro 211 80–100 350
titanio 120 100–225 240–370
cobre 130 33 210
tantalio 186 180 200
estaño 47 9–14 15–200
zinc (wrought) 105 110–200
niquel 170 14–35 140–195
plata 83 170
oro 79 100
aluminio 70 15–20 40-50
plomo 16 12

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Degarmo, Black y Kohser, 2003, p. 31
  2. Smith y Hashemi, 2006, p. 223
  3. a b NDT-ed.org
  4. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=638937fc52ca4683bc0c3f18f54f5a24
  5. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=de22e04486ff4598a26027abc48e6382
  6. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=64583c8ce6724989a11e1ef598d3273d
  7. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=c140b20b165941c7a948e782eeced4ea
  8. http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?MatGUID=722e053100354c02a6d450d5d7646d82
  9. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=b141bfe746f142638fdc30ac59aa306e
  10. USStubular.com
  11. Beryllium I-220H Grade 2
  12. Aluminum 2014-T6
  13. a b East Coast Fibreglass Supplies: Guide to Glass Reinforced Plastics
  14. Tube Properties
  15. Material Properties Data: Soda-Lime Glass
  16. «Basalt Continuous Fibers». Consultado el 29-12-2009.
  17. Toray Properties Document
  18. I Agnarsson, M Kuntner, T A Blackledge, Bioprospecting Finds the Toughest Biological Material: Extraordinary Silk from a Giant Riverine Orb Spider
  19. Tensile and creep properties of ultra high molecular weight PE fibres
  20. Mechanical Properties Data
  21. Zylon Properties Document
  22. Uhu endfest 300 epoxy: Strength over setting temperature
  23. Fols.org
  24. Lee, C. et al. (2008). «Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene». Science 321 (5887):  p. 385 pp. 385–8. doi:10.1126/science.1157996. PMID 18635798. Bibcode2008Sci...321..385L. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5887/385. Resumen divulgativo. 
  25. IOP.org Z. Wang, P. Ciselli and T. Peijs, Nanotechnology 18, 455709, 2007.
  26. A.M. Howatson, P.G. Lund, and J.D. Todd, Engineering Tables and Data, p. 41

Bibliografía[editar]

  • Giancoli, Douglas, Physics for Scientists & Engineers Third Edition (2000). Upper Saddle River: Prentice Hall.
  • «Thread biomechanics in the two orb-weaving spiders Araneus diadematus (Araneae, Araneidae) and Uloboris walckenaerius (Araneae, Uloboridae)». Journal of Experimental Zoology 271:  pp. 1–17. 1995. doi:10.1002/jez.1402710102. 
  • T Follett, Life without metals
  • «Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load». Science 287 (5453):  pp. 637–640. 2000. doi:10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994. Bibcode2000Sci...287..637Y. 
  • George E. Dieter, Mechanical Metallurgy (1988). McGraw-Hill, UK